旋回流型マイクロバブル発生装置および圧力遮断用ノズル
【課題】音波の発生に伴う騒音、水中放出時の放出流体の再吸い込み、旋回流中心における低圧部生成による溶解気体の再気泡化などを有効に防止することができる旋回流型マイクロバブル発生装置を提供する。
【解決手段】旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの下流側の端面Ｐ１側に、この渦崩壊用ノズル４と同軸に、かつ渦崩壊部４ｂと対向して圧力遮断用ノズル２１を設置する。渦崩壊部４ｂは噴出口Ｑを有する。渦崩壊部４ｂの端面Ｐ１と圧力遮断用ノズル２１の端面Ｐ２との間に間隙２２を形成し、この間隙２２の間隔を渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１の中心軸から放射方向に直線的に徐々に増加させる。圧力遮断用ノズル２１のうちの噴出口Ｑと対向する部分は、この噴出口Ｑから出てくる旋回流の中心部の低圧部をこの圧力遮断用ノズル２１の下流側と遮断し、かつ渦崩壊部４ｂに貫入しないようにする。
【解決手段】旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの下流側の端面Ｐ１側に、この渦崩壊用ノズル４と同軸に、かつ渦崩壊部４ｂと対向して圧力遮断用ノズル２１を設置する。渦崩壊部４ｂは噴出口Ｑを有する。渦崩壊部４ｂの端面Ｐ１と圧力遮断用ノズル２１の端面Ｐ２との間に間隙２２を形成し、この間隙２２の間隔を渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１の中心軸から放射方向に直線的に徐々に増加させる。圧力遮断用ノズル２１のうちの噴出口Ｑと対向する部分は、この噴出口Ｑから出てくる旋回流の中心部の低圧部をこの圧力遮断用ノズル２１の下流側と遮断し、かつ渦崩壊部４ｂに貫入しないようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、旋回流型マイクロバブル発生装置および圧力遮断用ノズルに関し、マイクロバブルを利用した各種の処理に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロバブルは、発生時において気泡径が一般に１０〜数１０μｍである微細気泡であり、水中で普通に発生する直径数ｍｍ程度の気泡と比べると極めて小さい。マイクロバブルは、このように極端に小さいため、微細なゴミを吸着して水面に浮上させる性質を持ち、水産物の洗浄や水質浄化などに応用されている。
【０００３】
従来、このマイクロバブルの発生装置としては、旋回流型マイクロバブル発生装置が多く用いられている。しかしながら、この旋回流型マイクロバブル発生装置は、１）音波の発生に伴う騒音、２）水中放出時の放出流体の再吸い込み、３）旋回流の中心における低圧部生成による溶解気体の再気泡化などの多く課題を有している。１）の音波の発生は、旋回流型マイクロバブル発生装置を民生品または水質改善に使用する際の騒音問題を引き起こす。ここで、旋回流型マイクロバブル発生装置から発せられる音波は、旋回周波数と装置内部に形成される気柱の固有周波数との２種類の周波数の振動が存在することが知られている。２）はマイクロバブルによるフロックの泡沫浮上分離時に放出流体を再吸い込みすることでフロックが破壊され液中に分散される。３）は溶存気体の溶解度の上昇が阻止される。
【０００４】
従来、旋回流生成用の円錐形スペースの旋回気液導出口にバッフル板（邪魔板）を設置した旋回式微細気泡発生装置が知られている（特許文献１参照。）。これによれば、微細気泡の生成および拡散を促進することができるとされている。
【０００５】
また、旋回流のノズル出口に隆起部を備えたキャップを設置した微細気泡発生器およびそれを備えた微細気泡発生装置が知られている（特許文献２参照。）。これによれば、混合流体内を減圧することができ、微細気泡を効率的に発生させることができ、噴出量と旋回数とを増加させることができるとされている。特許文献２には、キャップ部とノズルとの距離は噴出孔、気体の容積、ポンプの吐出圧などによることも記載されている。
【０００６】
また、旋回流の旋回を利用してこの旋回流にせん断力を作用させる気泡発生手段として旋回流のノズル出口に下流部に格子を設置した気泡発生装置が知られている（特許文献３参照。）。これによれば、旋回流に大きなせん断を働かせることができることが記載されている。
なお、渦崩壊現象を利用した旋回流型マイクロバブル発生装置が提案されている（例えば、特許文献４参照。）
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２０５２２８号公報
【特許文献２】国際公開第０１／０９７９５８号パンフレット
【特許文献３】特開２００５−１６９２８６号公報
【特許文献４】国際公開第０６／０７５４５２号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、本発明者の検討によれば、特許文献１〜３に記載された技術では、上記の１）〜３）の課題を解決することはできない。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、音波の発生に伴う騒音、水中放出時の放出流体の再吸い込み、旋回流中心における低圧部生成による溶解気体の再気泡化などを有効に防止することができる旋回流型マイクロバブル発生装置およびこれに用いて好適な圧力遮断ノズルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、第１の発明は、
マイクロバブルの噴出口を有する第１のノズルの下流側の端面側にこの第１のノズルと対向し、かつ同軸に設けられた圧力遮断用の第２のノズルを有し、
上記第１のノズルの下流側の端面と上記第２のノズルの上流側の端面との間には間隙が形成され、
上記間隙の間隔は上記第１のノズルおよび上記第２のノズルの中心軸から放射方向に増大し、
上記第２のノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口から出てくる旋回流の中心部の低圧部を上記第２のノズルの下流側と遮断するように構成され、
上記第２のノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口に貫入していないことを特徴とする旋回流型マイクロバブル発生装置である。
【００１０】
この旋回流型マイクロバブル発生装置においては、第１のノズルの噴出口から噴出されたマイクロバブルは、第１のノズルの下流側の端面と第２のノズルの上流側の端面との間の間隙を通って外部に向かうように構成されている。気柱内圧力の極小化、言い換えると吸い込み圧力の極大化の観点からは、第１のノズルの下流側の端面の頂角をθVB、第２のノズルの上流側の端面の頂角をθSUとしたとき、θSU≦θVBであることが好ましく、Δθ≡θVB−θSU＝０°〜２０°であることがより好ましい。これに加えて、気柱内圧力の極小化、言い換えると吸い込み圧力の極大化の観点から、第１のノズルの下流側の端面における噴出口の直径をＤe 、第１のノズルおよび第２のノズルの中心軸上における第１のノズルと第２のノズルとの間隔をｔとしたとき、ｔがほぼＤe ／４であることが好ましい。第１のノズルの噴出口は典型的には円筒形状であり、この場合はこの円筒形状の噴出口の全長にわたって直径Ｄe は一定であるが、これに限定されるものではなく、必要に応じて、噴出口の長さ方向で直径Ｄe を変化させてもよい。
【００１１】
典型的には、第１のノズルおよび第２のノズルは、典型的には円筒形状の管（パイプ）の内部に収容されており、第１のノズルの噴出口から噴出されたマイクロバブルは上記の間隙を通り、さらに上記の管と第２のノズルの外周面にこの第２のノズルの中心軸に平行に設けられた複数の溝との間の空間を通って外部に放出されるように構成される。あるいは、第２のノズルの外周面に溝を形成する代わりに、この第２のノズルの内部のこの第２のノズルの外周面に近接する部分に、この第２のノズルの中心軸に平行な複数の孔を設けてもよい。あるいは、第１のノズルおよび第２のノズルは、管の内部に収容されており、第２のノズルは下流側にすぼまった形状を有し、かつ第２のノズルの内部には上記の管の内壁に隣接する部分の上記の間隙と第２のノズルの下流側の端面との間を連通し、かつ第２のノズルの下流側の端面で互いに合流する複数の孔が設けられており、上記の噴出口から噴出されたマイクロバブルは上記の間隙を通り、さらに第２のノズルの上記の複数の孔を通って外部に放出されるように構成される。これらの溝または孔のアスペクト比（長さ／内径）は１より大きいことが好ましい。
【００１２】
典型的には、第１のノズルは上流側から下流側に向かって順次縮流部および渦崩壊部を有する渦崩壊用ノズルである。ここで、渦崩壊とは、渦の構造が急激に変化する現象であり、スパイラル型（デルタ翼の場合などに発生する型）、バブル型（円管内流れの場合などに発生する型）の二つの顕著な型を有する。また、典型的には、第１のノズルの上流側に旋回流発生用の翼型の第３のノズルを有する。この場合、典型的には、この第３のノズルの上流側の入口に液体を供給することにより旋回流を発生させるとともに、この旋回流の中心に気体を導入し、この中心に気体が導入された旋回流を第１のノズルの縮流部に供給することにより渦崩壊部からマイクロバブルを発生させる。この第３のノズルは、典型的には、旋回流発生用翼体を円筒形状の管（パイプ）の内部に収容したもの（あるいは、旋回流発生用翼体の外側を管により覆ったもの）である。旋回流発生用翼体は、典型的には、円柱状の本体の一端部を流線形（典型的には、この本体の中心軸を回転軸とする回転体状（例えば、半球状））に成形し、本体の外周面の長手方向に複数の翼をそれらの後部が彎曲するように設け、この本体の他端部に気体の噴射孔を設けたものである。また、この旋回流発生用翼体は、典型的には、この本体の外周面に設けられた給気孔とこの本体の他端部に設けられた噴射孔とを有し、旋回流発生用翼体の翼の枚数は必要に応じて選ぶことができる。渦崩壊用ノズルにおいては、典型的には、縮流部は渦崩壊部に向かって断面積が徐々に減少しており（あるいは、縮流部は渦崩壊部に向かってすぼまっており）、渦崩壊部との境界部（あるいは接続部）において渦崩壊部と同一の断面形状を有する。好適には、渦崩壊部は円筒形状を有する第１の部分と出口に向かって広がった形状の第２の部分とを有し、第１の部分の内周面と第２の部分の端面とがなす角度をθ0 としたとき、０度＜θ0 ＜１８０度あるいは９０度＜θ0 ＜１８０度、例えば１００度程度である。渦崩壊部が円筒形状を有する第１の部分と出口に向かって広がった形状の第２の部分とを有する場合、第１の部分の内周面と第２の部分の端面とは滑らかに繋がっていることが望ましい。こうすることで、渦崩壊用ノズルの噴き出し面である第２の部分の端面に旋回流を付着させることができる。
【００１３】
マイクロバブルを発生させる液体は、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、水（温水を含む）、各種の有機溶剤（アルコール、アセトン、トルエンなど）、石油、ガソリンなどの液体燃料などである。
旋回流の中心に供給する気体は、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、空気、酸素、オゾン、水素、アルゴンなどである。
【００１４】
第２の発明は、
旋回流型マイクロバブル発生装置のマイクロバブルの噴出口を有するノズルの下流側の端面側にこのノズルと対向し、かつ同軸に設けられる圧力遮断用ノズルであって、
上記噴出口を有する上記ノズルの下流側の端面と上記圧力遮断用ノズルの上流側の端面との間には間隙が形成され、
上記間隙の間隔は上記噴出口を有する上記ノズルおよび上記圧力遮断用ノズルの中心軸から放射方向に増大し、
上記圧力遮断用ノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口から出てくる旋回流の中心部の低圧部を上記第２のノズルの下流側と遮断するように構成され、
上記圧力遮断用ノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口に貫入しないように構成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
この第２の発明において、マイクロバブルの噴出口を有するノズルおよび圧力遮断用ノズルは、それぞれ第１の発明における第１のノズルおよび第２のノズルに対応する。
この第２の発明においては、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、音波の発生に伴う騒音、水中放出時の放出流体の再吸い込み、旋回流中心における低圧部生成による溶解気体の再気泡化などを有効に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明の実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置について図面を参照しながら説明する。
まず、この実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の基礎となる旋回流型マイクロバブル発生装置について説明する（特許文献４参照。）。
第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置においては、マイクロバブルを発生させるために、パイプ中心部を閉塞させ円周方向の流速を大きくすることでパイプ内を流れる水などの液体から強い旋回流を発生するタービン翼型ノズルと、主流に比べて循環が卓越する流れを小さい流れに遷移させる渦崩壊用ノズルとを直列に配置する。
【００１８】
図１は第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置１の本体、図２〜図４はこの旋回流型マイクロバブル発生装置１のタービン翼型ノズルの翼体、図５はこのタービン翼型ノズルの翼体の一つの翼の展開図、図６はこのマイクロバブル発生装置１の渦崩壊用ノズル、図７はこの旋回流型マイクロバブル発生装置１の給気装置を示す。
【００１９】
図１〜図７に示すように、この旋回流型マイクロバブル発生装置１は、円筒状のパイプ２の内部に互いに同軸に直列結合されたタービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４を収容したものと給気装置５とからなる。タービン翼型ノズル３は、円柱状の本体３ａの前方ａを半球状に成形し、この本体３ａの外周面ｂの長手方向に複数の翼３ｂをそれらの後方ｃが彎曲するように設け、背面ｄに噴射孔３ｆを設けた翼体の外側をパイプ２により管状に覆ったものである。渦崩壊用ノズル４は、パイプ２の先端部ｅに配置されている。渦崩壊用ノズル４は、テーパー状に成形した縮流部４ａに管状の渦崩壊部４ｂを連接したものである。給気装置５は、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの圧力差を検出し、タービン翼型ノズル３に供給する気体５ｌ（図７参照）の量を調整するものである。パイプ２においては、入口２ａ、タービン翼型ノズル３、渦流部２ｂ、渦崩壊用ノズル４の順に液体６が流れる。パイプ２は既存の設備に接続できるように様々なサイズに対応可能である。
【００２０】
この旋回流型マイクロバブル発生装置１では、パイプ２の入口２ａに、マイクロバブルを発生させようとする水などの液体６を流し、タービン翼型ノズル３により水流などの液体流６ａを円周方向ｆに向けるとともに気柱６ｂを噴出させ、渦崩壊用ノズル４で縮流して渦崩壊させることを特徴とする。より詳細には、パイプ２の入口２ａから入った液体６は、タービン翼型ノズル３によって中心部が閉塞されるため、流速の増した液体流６ａとなる。液体流６ａは、タービン翼型ノズル３の外周面ｂに存在する溝３ｄに沿って流れ、タービン翼型ノズル３の円周方向ｆに向きを変えられることにより旋回流６ｃとなって渦流部２ｂを進む。渦流部２ｂでは、タービン翼型ノズル３の噴射孔３ｆから放出された気柱６ｂが旋回流６ｃとともに螺旋状に流れる。渦崩壊用ノズル４に入ると、旋回流６ｃは縮流され、循環に比べて流れが卓越することで渦崩壊が起きる。この渦崩壊により大きな気泡が細かく潰され、マイクロバブル６ｄとなって渦崩壊用ノズル４の出口から放出される。ここで、渦崩壊用ノズル４の最小断面、すなわち渦崩壊部４ｂの断面における旋回流６ｃの回転周波数ｆe は、縮流部４ａにおいて循環が保存されるとすると、渦流部２ｂにおける旋回流６ｃの回転周波数をｆ、パイプ２の内径をＤ、渦崩壊部４ｂの内径をＤe としたとき、ｆe ＝（Ｄ／Ｄe ）2 ｆとなる。
【００２１】
タービン翼型ノズル３は、水流などの液体流６ａを螺旋状の旋回流６ｃに変換するとともに気柱６ｂを放出する器具であり、パイプ２の内部に、本体３ａの外周面ｂ上に複数の翼３ｂを設けた翼体が固定されている。タービン翼型ノズル３は回転させる必要はなく、動力は不要である。なお、気柱６ｂとは、空気などの気体５ｌを勢い良く柱状に噴射させた気泡のことである。
本体３ａは円柱状（縦断面は長方形状）であり、前方ａは半球状部３ｃ（縦断面は半円状）と連接しており、背面ｄの中央に噴射孔３ｆを有する。
【００２２】
翼３ｂは、半球状部３ｃの頂部３ｕから本体３ａの背面端３ｖにかけて、本体３ａの外周面ｂ上を縦断するように設けた部材であり、液体流６ａの向きを本体３ａの円周方向ｆに変えるために、背面端３ｖに向かうにつれて湾曲している。半球状部３ｃにおける翼３ｂも全体としては半球状に成形される。ただし、半球状部３ｃにおける翼３ｂは必要に応じて省略することが可能である。翼３ｂは本体３ａから突起状に出ているため、隣り合う翼３ｂと翼３ｂとの間には溝３ｄが存在する。
【００２３】
半球状部３ｃは、パイプ２の入口２ａから入ってきた液体６がスムーズに溝３ｄに流れ込むように丸めてある箇所である。パイプ２は、タービン翼型ノズル３から放出される円周方向ｆの噴流から角運動量の大きな流体を生成するために必要である。
溝３ｄは、翼３ｂにより仕切られた液体６の流れる通路である。翼３ｂが湾曲していることから、水平方向（パイプ２の中心軸方向）に流れていた液体流６ａが、徐々に垂直方向に曲げられ、螺旋状の旋回流６ａとなってタービン翼型ノズル３から出ていく。
噴射孔３ｆは、マイクロバブルの基となる気柱６ｂを放出する孔である。気柱６ｂは、本体３ａの外周面ｂに設けられた給気孔３ｅから気体５ｌを供給することにより生成される。噴射孔３ｆから出た気柱６ｂは、旋回流６ｃとともに流れていく。
【００２４】
翼３ｂは、液体６の流れを等分に分割するため、同じ形状のものを等間隔に配置する。翼間隔３ｇは翼３ｂを配置する間隔であり、この場合、翼数が６枚であるので翼間隔３ｇは６０度であるが、これに限定されるものではない。
翼角３ｈは半球状部３ｃにおける翼３ｂの大きさを決めるもので、中心から一定の角度を持って延びていき、本体３ａに至ってからは、同じ幅を維持して延びる。なお、翼角３ｈは、大き過ぎると液体６の通り道が狭くなるので、例えば１５度程度が好ましいが、これに限定されるものではない。
液体６の通り道となる溝３ｄの溝深さ３ｎは溝３ｄの深さであり、翼３ｂの高さでもある。なお、溝深さ３ｎは、タービン翼型ノズル３のサイズにより適切な深さに調整することができる。
【００２５】
ノズル長３ｉはタービン翼型ノズル３の全体の長さであり、本体３ａの長さである翼長３ｋと半球状部３ｃの半径である外半径３ｌとの和に等しい。なお、タービン翼型ノズル３の大きさは、パイプ２の大きさが異なれば、適切な大きさも異なる。
ノズル径３ｊは、タービン翼型ノズル３の直径である。ノズル径３ｊは、翼３ｂの部分を含めた本体３ａの直径でもあり、また、本体３ａに連接することから、半球状部３ｃの直径でもある。
【００２６】
翼３ｂは後方ｃが湾曲しているため、翼３ｂ自体の長さは翼長３ｋよりも長くなる。また、半球状部３ｃにおける翼３ｂに関しては、翼長３ｋには含めないものとする。
外半径３ｌは半球状部３ｃの翼３ｂの部分を含めた全体の半径であり、半球状部３ｃの頂部３ｕから本体３ａまで垂直に下りた長さでもある。なお、隣り合う翼３ｂと翼３ｂとの間には溝３ｄが存在するため、外半径３ｌは、溝３ｄを埋めたものと考えた場合の半径を意味する。
【００２７】
内半径３ｍは、半球状部３ｃの翼３ｂを除いた本体３ａと連接される部分の半径である。内半径３ｍは、外半径３ｌとの差である溝深さ３ｎの分だけ出た位置から球状にしているため、内半径３ｍの頂部３ｕは外半径３ｌの頂部３ｕと一致する。
孔距離３ｏは、噴射孔３ｆのあるタービン翼型ノズル３の背面端３ｖから給気孔３ｅの位置までの距離であり、例えば、翼長３ｋの半分の位置が好ましいが、これに限定されるものではない。また、給気孔３ｅは、液体６が通らない翼３ｂ上に設けることが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００２８】
給気孔３ｅと噴射孔３ｆとはタービン翼型ノズル３の内部で繋がっており、タービン翼型ノズル３の外周面ｂに設けられた給気孔３ｅから供給された気体５ｌが、タービン翼型ノズル３の背面ｄの中央に設けられた噴射孔３ｆから放出される。
孔内径３ｐは、給気孔３ｅおよび噴射孔３ｆの直径である。孔内径３ｐの大きさは、噴射孔３ｆから出る気柱６ｂの量に影響を与えるため、適切なサイズに調整する必要があり、供給する気体５ｌの流量に応じて決められる。一例を挙げると、孔内径３ｐは２ｍｍ程度が好ましいが、これに限定されるものではない。
【００２９】
図５は、タービン翼型ノズル３の一つの翼３ｂの形状を示す展開図であり、翼３ｂを湾曲させた様子をグラフ上で示したものである。グラフの横軸は翼端（翼の先端）からの流れ方向にとった距離、縦軸は周方向の距離を示す。翼３ｂが描く曲線は、０から翼長３ｋまでの範囲に存在する。なお、距離３ｑは、翼端からの距離が０と翼長３ｋとの間の任意の値とし、距離３ｒは、翼端からの距離が翼長３ｋの場合の値とする。
【００３０】
勾配３ｓは距離３ｑにおける傾きであり、距離３ｑが０の場合は勾配３ｓも０度であるが、距離３ｑが増えるにつれて勾配３ｓも大きくなっていく。翼３ｂの勾配３ｓは、距離３ｑが０では液体流６ａが流れに沿うこと、距離３ｒでは液体流６ａを円周方向ｆに向かわせることが必要であるため付けたものである。勾配３ｓにより液体流６ａを旋回流６ｃにすることができるが、翼３ｂにより円周方向ｆの流れが主流方向の流れに比べて大きくなり、結果として渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂで渦崩壊を引き起こすためには、翼３ｂの終端における勾配３ｔが、およそ５５〜６０度より大きくなる必要がある。具体的には、例えば、翼３ｂが本体３ａの円周方向ｆとなす角度は５〜９度（あるいは５〜６度）、すなわち、距離３ｒにおける勾配３ｔは８１〜８５度（あるいは８４〜８５度）であることが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００３１】
渦崩壊用ノズル４は、旋回流６ｃとともにパイプ２の渦流部２ｂを流れてきた気柱６ｂを渦崩壊させてマイクロバブル６ｄを発生させる器具であり、パイプ２の端に一体的に連接する。渦崩壊用ノズル４は縮流部４ａと渦崩壊部４ｂとからなる。縮流部４ａは、テーパー状に細くなる管であり、広い側はパイプ２の渦流部２ｂに連接され、狭い側は渦崩壊部４ｂに連接される。縮流部４ａの細くなる角度（テーパー角）４ｅは、パイプ２などの大きさに依存し、必要に応じて選ばれる。この角度４ｅの一例を挙げると約２０度であるが、これに限定されるものではない。渦崩壊部４ｂは、パイプ２の渦流部２ｂよりも細い円筒状の管であり、一端は縮流部４ａの狭い側に連接され、他端が出口となる。渦崩壊部４ｂの内径４ｆもパイプ２の大きさなどに依存し、必要に応じて選ばれる。この内径４ｆは例えば０．５〜１．５ｃｍであるが、これに限定されるものではない。
【００３２】
パイプ２内を流れる液体６は、渦流部２ｂから縮流部４ａの広い側に入り、縮流部４ａの径が細くなっていくことで流速を増しながら渦崩壊部４ｂへと至る。液体６とともに流れてきた気柱６ｂは、渦崩壊部４ｂにおいて細かくされ、マイクロバブル６ｄとして渦崩壊用ノズル４の出口から放出される。
渦崩壊用ノズル４の渦崩壊が発生するノズル径の最小値、すなわち臨界ノズル径は次のようにして求められる。
【００３３】
詳細は省略するが、タービン翼型ノズル３の翼３ｂによって生成される旋回流６ｃの回転周波数ｆはCassidy et. al., J. Fluid Mech., V.41, pp.727-736, 1970 による方法により求められ、ｆとｆe との間にはｆe ＝（Ｄ／Ｄe ）2 ｆの関係が成り立つから、
【数１】
と表される。ここで、Ｒ＝Ｄ／２（＝図４に示す外半径３ｌ）、Ｑはパイプ２に供給される液体６の流量、ρは液体６の密度、ε＝ｒe ／Ｒ（ただし、ｒe ＝Ｄe ／２）、δ＝ｈ／Ｒ（ｈは図４に示す溝深さ３ｎと等しい）、κ＝Ｎv Δθ／２π（ただし、Ｎv は翼３ｂの枚数、Δθ（rad.）は溝３ｄの角度（溝角））、θf は図５に示す勾配３ｔと等しく、α0 、α1 は定数でα0 ＝０．４、α1 ＝１である。
【００３４】
渦崩壊用ノズル４の縮流部４ａにおけるサーキュレーション数Γe は
【数２】
である。ただし、ｕe は渦崩壊用ノズル４の出口における流速、ωe は渦崩壊部４ｂの断面における旋回流６ｃの回転角周波数である。この（２）式に（１）式のｆe を代入すると、Γe は
【数３】
と求められる（Cassidy et. al., J. Fluid Mech., V.41, pp.727-736, 1970 を参照。)
。
【００３５】
図８に、ε＝１．５／４．０であるときの渦崩壊前のサーキュレーション数Γe のθf に対する変化をδを０．４／２、０．９／２と変えて求めた結果を示す。ただし、図８におけるΓcrは臨界サーキュレーション数でΓcr＝２．０である（本旋回流型マイクロバブル発生装置ではΓcr≒２．０、より一般的な旋回流発生装置の場合の平均的な値はΓcr≒１／０．６５（例えば、Spall et. al., Phys. Fluid, 30(11), pp.3434-3440, 1987）。図８に示すように、溝３ｄの深さ、すなわち溝深さ３ｎ＝ｈが大きくなるにしたがって、軸方向運動量に対する円周方向の運動量が相対的に小さくなり、結果として溝深さ３ｎ＝ｈ、したがってδが大きいほどサーキュレーション数Γe は減少する。このため、溝深さ３ｎ＝ｈが大きくなると渦崩壊は起こりにくくなる。
【００３６】
溝深さ３ｎ＝ｈおよびθf を与えたとき、渦崩壊が発生するノズル半径の最小値、すなわち臨界ノズル半径εcr（臨界半径をｒecr とするとεcr＝ｒecr ／Ｒ）は、Γe ＝Γcrとおくことにより下記のように得られる。したがって、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４をε＞εcrを満たすように設計することにより、渦崩壊用ノズル４で渦崩壊を起こさせることができる。
【数４】
【００３７】
図９に、渦崩壊の閾値をΓcr＝２．０としたときの渦崩壊用ノズル４のε＝ｒe ／Ｒのδ＝ｈ／Ｒに対する変化を、θf を５０度、６０度、７０度、８０度、８４度と変えて求めた結果を示す。ただし、κ＝３／４とした。図９中の○、×はそれぞれ、θf ＝８４度として実験を行ったときに渦崩壊が生じた場合、生じなかった場合を示す。詳細は省略するが、旋回流６ｃによる分級効果によって、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂで放出されるマイクロバブル６ｄの径ｄは
【数５】
と表される。ただし、νw は液体６の動粘性率である。この式においてΓe ＝Ｏ（１）であるから、νw が小さく、ｆe が大きいほど微細なマイクロバブル６ｄが生成されることが分かる。
【００３８】
パイプ２に液体６を供給するために用いるポンプのパワーを一定としたとき、ｆe は
【数６】
となる。したがって、ｆe を大きくすることでマイクロバブル６ｄを生成するには高揚程ポンプ（Ｒが小さい）が有利である。
【００３９】
給気装置５は、旋回流型マイクロバブル発生装置１に気体５ｌを供給する装置であり、タービン翼型ノズル３の給気孔３ｅに連結され、噴射孔３ｆから気柱６ｂを放出する。圧力検出器４ｃおよび圧力検出器４ｄは渦崩壊部４ｂ内の圧力を検出する器具であり、圧力検出器４ｃは縮流部４ａに連接する側に設けられ、圧力検出器４ｄは出口側に設けられている。これらの圧力検出器４ｃおよび圧力検出器４ｄにより圧力差を検知し、気体５ｌの供給量を自動的に調節する。
【００４０】
給気装置５は、シリンダ５ａおよびピストン５ｂなどの部材から構成される。この給気装置５とタービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４との接続は、給気孔３ｅと通気孔５ｆ、圧力検出器４ｃと高圧力部５ｊ、圧力検出器４ｄと低圧力部５ｋとを繋ぐことで行う。シリンダ５ａは給気装置５の外枠であり、内部に中空部分を有するほぼ円柱状の形状である。なお、シリンダ５ａのサイズの一例を挙げると、長さ約７．０ｃｍ、直径約２．６ｃｍであるが、これに限定されるものではない。
【００４１】
シリンダ５ａの先頭側には、シリンダ５ａの側面を貫通する通気孔５ｆがあり、この通気孔５ｆの一端は、給気管５ｉにより給気孔３ｅに接続され、他端は、開放することで気体５ｌを取り込むが、特別な気体を使用する場合にはボンベなどを接続する。
また、シリンダ５ａ内の中空部分は、ピストン５ｂおよびダイアフラム５ｍにより高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとに分けられる。先頭側の高圧力部５ｊは、圧力検出器４ｃで検知した圧力となり、背後側の低圧力部５ｋは、圧力検出器４ｄで検知した圧力となる。
なお、高圧力部５ｊおよび低圧力部５ｋには、それぞれ空気孔５ｇおよび空気孔５ｈが設けられる。空気孔５ｇおよび空気孔５ｈは、通常は閉じておくが、開放することにより内部の空気を抜くことができる。
【００４２】
ピストン５ｂは、シリンダ５ａの内部を往復移動する部材であり、可動部５ｃ、バネ５ｄおよびストッパー５ｅなどからなる。ピストン５ｂが移動することにより、給気孔３ｅへ供給する気体５ｌの量を調節する。可動部５ｃは、シリンダ５ａ内を前後に動く部分であり、給気孔３ｅの開閉を行う杭状の前半部と、シリンダ５ａ内の高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとを仕切る円柱状の後半部とからなる。可動部５ｃが最も前に移動した場合は、先端が通気孔５ｆを突き抜けて気体５ｌが通らないように塞いでしまい、可動部５ｃが最も後に移動した場合は、先端が通気孔５ｆから離れて気体５ｌを通す。
【００４３】
バネ５ｄは、伸び縮みすることで可動部５ｃの移動を制御するもので、高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとの圧力差と連動して可動部５ｃの位置を調整する。高圧力部５ｊの圧力が増せばバネ５ｄが縮んで可動部５ｃを後方に移動させ、低圧力部５ｋの圧力が増せばバネ５ｄが伸びて可動部５ｃを前方に移動させる。
ストッパー５ｅは、ピストン５ｂの端をシリンダ５ａの後背部に固定することで、ピストン５ｂを支えている部材である。ストッパー５ｅで押さえることで、ピストン５ｂがシリンダ５ａ内で安定し、バネ５ｄの伸縮も有効に働き、可動部５ｃを移動させることができる。
可動部５ｃとストッパー５ｅとはバネ５ｄにより接続されるが、バネ５ｄの内側で可動部５ｃとストッパー５ｅとをスライド構造にすることにより、バネ５ｄの部分の安定性を保つとともに、可動範囲を制御する。
【００４４】
給気装置５は、高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとの圧力差を利用してピストン５ｂを移動させることにより、気体５ｌの供給を制御する。高圧力部５ｊおよび低圧力部５ｋは、圧力検出器４ｃおよび圧力検出器４ｄと管５ｎ、５ｏで接続され、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの圧力を反映させる。具体的には、圧力検出器４ｃと圧力検出器４ｄとの間の部分の渦崩壊部４ｂで渦崩壊が発生しているときは、圧力検出器４ｃと圧力検出器４ｄとの圧力差が増大し、高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとの圧力差がバネ５ｄの反力よりも大きくなると、ピストン５ｂが右に移動して通気孔５ｆが開く。
【００４５】
なお、圧力検出器４ｃと圧力検出器４ｄとの間の部分の渦崩壊部４ｂで渦崩壊が発生しない場合は、給気孔３ｅへの給気量が多く、圧力検出器４ｃと圧力検出器４ｄとの圧力差が小さい場合であり、給気量を制御するために、高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとの圧力が均衡した際のピストン５ｂの位置を、通気孔５ｆが閉まる位置にしておく。
【００４６】
図１０ＡおよびＢは渦崩壊用ノズル４での渦崩壊を示す図であり、渦崩壊ありの場合（図１０Ａ）の渦崩壊用ノズル４および渦崩壊なしの場合（図１０Ｂ）の渦崩壊用ノズル４の状態を示したものであ。図１０Ａに示すように、渦崩壊ありの場合には、縮流部４ａから来た気柱６ｂは、渦崩壊部４ｂの中間付近で渦崩壊し、マイクロバブル６ｄとなって出て行くため、渦崩壊部４ｂの出口における圧力は、渦崩壊部４ｂの入口における圧力よりも小さくなる。
圧力検出器４ｃにより渦崩壊部４ｂの入口の圧力を検出し、圧力検出器４ｄにより渦崩壊部４ｂの出口の圧力を検出して、渦崩壊部４ｂ内に圧力差があれば、正常に渦崩壊が起きており、このまま給気を行う。
【００４７】
渦崩壊なしの場合（図１０Ｂ）には、縮流部４ａから来た気柱６ｂは、渦崩壊部４ｂ内では渦崩壊せず、マイクロバブル６ｄとならないため、渦崩壊部４ｂの出口における圧力は、渦崩壊部４ｂの入口における圧力とほとんど変わらない。このとき、圧力検出器４ｃにより渦崩壊部４ｂの入口の圧力を検出し、圧力検出器４ｄにより渦崩壊部４ｂの出口の圧力を検出して、渦崩壊部４ｂ内に圧力差がなければ、給気を抑制し、渦崩壊が起きるように調整する。
このように、給気量が適正でなければ、気柱６ｂは渦崩壊せずマイクロバブル６ｄが得られないので、この第１の実施形態では、渦崩壊しているかどうかを渦崩壊部４ｂの圧力差によって確認し、さらに上述のようにこの圧力差を利用して自動的に給気量を調整することができる。
【００４８】
次に、気体５ｌの給気量（気体流量）Ｑa とマイクロバブル６ｄの径ｄとの関係について説明する。
渦崩壊用ノズル４の前面に張り付いた気柱６ｂが受ける剪断によって発生する気泡径を Hinzeスケール（圧力による分断作用と表面張力とが釣り合った平衡状態における径ｄH ）に従って算定すると図１１に示すようになる。詳細は省略するが、マイクロバブル６ｄが HinzeスケールｄH まで微粒化されるときの気体５ｌの給気量Ｑa は
【数７】
で与えられる。ここで、ｄ0 は次の式 (８) 〜（10）から算定される。
【数８】
【数９】
【数１０】
ただし、
【数１１】
である。ここで、γは気体５ｌと液体６との界面張力係数である。
【００４９】
図１２、図１３および図１４は、Γe がそれぞれ＝２、３および４のときの給気量Ｑa を示す。
Hinzeスケールのマイクロバブル６ｄを生成するときの給気量Ｑa と液体６の流量Ｑw との比は次式で表される。
【数１２】
【００５０】
図１５、図１６および図１７は、Γe がそれぞれ２、３および４のときの給気量Ｑa と液体６の流量Ｑw との比をプロットしたものである。図１５、図１６および図１７より、ｆe ＞１００Ｈｚおよびｒe ＜２ｃｍの範囲内では、Ｑa ／Ｑw はｆe およびｒe にあまり依存しない。このときのＱa ／Ｑw を漸近的に計算すると次式のようになる。
【数１３】
この式はΓe 〜２．５の実験における値Ｑa ／Ｑw 〜０．００５により検証されている（山田ら、流体力学会年会２００５、ＡＭ０５−２４−００２）。
【００５１】
渦崩壊用ノズル４の出口のエッジでは旋回流６ｃの剥がれによって音が発生するが、この音は、例えば、このエッジに微細な繊維（例えば、綿状のもの）を貼ったり、渦崩壊用ノズル４の縮流部４ａの入り口にその直径方向に針金（例えば、数ｍｍ径のもの）を張り渡して上流の気柱６ｂを乱したりすることで消音することが可能である。
タービン翼型ノズル３の具体例について説明する。図１８は、タービン翼型ノズル３の具体例１〜３を示し、タービン翼型ノズル３の形状を示す。翼３ｂの枚数を６枚とし、翼３ｂを等間隔に配置することから翼間隔３ｇは６０度となり、翼角３ｈを１５度とすること、勾配３ｓを８４度とすることは具体例１〜３で共通する。
【００５２】
具体例１は、半球状部３ｃの外半径３ｌを０．８５ｃｍ、翼長３ｋを２．０３ｃｍ、溝深さ３ｎを０．３ｃｍにした場合である。ノズル長３ｉは、翼長３ｋと外半径３ｌとの合計であることから２．８８ｃｍであり、内半径３ｍは、外半径３ｌより溝深さ３ｎの分小さいことから０．５５ｃｍとなる。本体３ａの円周は、外半径３ｌが０．８５ｃｍであることから５．３４ｃｍとなるので、翼幅は、翼角３ｈが１５度であることから０．２２ｃｍとなり、溝幅は、翼間隔３ｇが６０度であることから０．８９ｃｍとなる。翼３ｂの円周角は、６７．４×（−０．０３６９＋０．７８０／（２．１１−位置））の式で表現することができる。なお、位置は翼端からの距離であり、０から翼長３ｋの範囲の値である。例えば、位置が０の場合、翼３ｂの円周角は０度となり、位置が翼長３ｋの場合、翼３ｂの円周角は６３．２度となる。
【００５３】
具体例２は、半球状部３ｃの外半径３ｌを１．６ｃｍ、翼長３ｋを３．８２ｃｍ、溝深さ３ｎを０．５ｃｍにした場合である。ノズル長３ｉは、翼長３ｋと外半径３ｌとの合計であることから５．４２ｃｍであり、内半径３ｍは、外半径３ｌより溝深さ３ｎの分小さいことから１．１ｃｍとなる。本体３ａの円周は、外半径３ｌが１．６ｃｍであることから１０．０５ｃｍとなるので、翼幅は、翼角３ｈが１５度であることから０．４２ｃｍとなり、溝幅は、翼間隔３ｇが６０度であることから１．６８ｃｍとなる。翼３ｂの円周角は、３５．８×（−０．０６９５＋０．２７６／（３．９８−位置））の式で表現することができる。なお、位置は翼端からの距離であり、０から翼長３ｋの範囲の値である。例えば、位置が０の場合、翼３ｂの円周角は０度となり、位置が翼長３ｋの場合、翼３ｂの円周角は５９．３度となる。
【００５４】
具体例３は、半球状部３ｃの外半径３ｌを２．１ｃｍ、翼長３ｋを５．００ｃｍ、溝深さ３ｎを０．５ｃｍにした場合である。ノズル長３ｉは、翼長３ｋと外半径３ｌとの合計であることから７．１０ｃｍであり、内半径３ｍは、外半径３ｌより溝深さ３ｎの分小さいことから１．６ｃｍとなる。本体３ａの円周は、外半径３ｌが２．１ｃｍであることから１３．１９ｃｍとなるので、翼幅は、翼角３ｈが１５度であることから０．５５ｃｍとなり、溝幅は、翼間隔３ｇが６０度であることから２．２０ｃｍとなる。翼３ｂの円周角は、２７．３×（−０．０９１２＋０．４７６／（５．２２−位置））の式で表すことができる。なお、位置は翼端からの距離であり、０から翼長３ｋの範囲の値である。例えば、位置が０の場合、翼３ｂの円周角は−３．３度となり、位置が翼長３ｋの場合、翼３ｂの円周角は５６．６度となる。
【００５５】
図１９Ａ、ＢおよびＣは、タービン翼型ノズル３の形状、渦崩壊用ノズル４の形状およびタービン翼型ノズル３から渦崩壊用ノズル４までの間隔の具体例４〜６を示す。タービン翼型ノズル３については、具体例４では具体例１と同様、具体例５では具体例２と同様、具体例６では具体例３と同様である。
具体例４（図１９Ａ）は、タービン翼型ノズル３の外半径３ｌが約０．８５ｃｍの場合であり、タービン翼型ノズル３のノズル長は２．８８ｃｍである。タービン翼型ノズル３はパイプ２にぴったり収まることから、パイプ２の内径も約０．８５ｃｍとなり、渦崩壊用ノズル４の入口側の径も同様に約０．８５ｃｍとなる。タービン翼型ノズル３から渦崩壊用ノズル４までの間である渦流部２ｂの長さを約１．７ｃｍとし、渦崩壊用ノズル４の長さを約２．６ｃｍとすると、タービン翼型ノズル３、渦流部２ｂおよび渦崩壊用ノズル４の全体の長さは約７．１８ｃｍとなる。なお、渦崩壊用ノズル４の形状は、縮流部４ａにおける角度４ｅを２０度、出口側の内径４ｆを０．５ｃｍとすると、入口側の径が０．８５ｃｍであることから、渦崩壊部４ｂなどの長さが定まる。
【００５６】
具体例５（図１９Ｂ）は、タービン翼型ノズル３の外半径３ｌが約１．６ｃｍの場合であり、タービン翼型ノズル３のノズル長は５．４２ｃｍである。タービン翼型ノズル３はパイプ２にぴったり収まることから、パイプ２の内径も約１．６ｃｍとなり、渦崩壊用ノズル４の入口側の径も同様に約１．６ｃｍとなる。タービン翼型ノズル３から渦崩壊用ノズル４までの間である渦流部２ｂの長さを約３．２ｃｍとし、渦崩壊用ノズル４の長さを約５．０ｃｍとすると、タービン翼型ノズル３、渦流部２ｂおよび渦崩壊用ノズル４の全体の長さは約１３．６２ｃｍとなる。なお、渦崩壊用ノズル４の形状は、縮流部４ａにおける角度４ｅを２０度、出口側の内径４ｆを１．０ｃｍとすると、入口側の径が約１．６ｃｍであることから、渦崩壊部４ｂなどの長さが定まる。
【００５７】
具体例６（図１９Ｃ）は、タービン翼型ノズル３の外半径３ｌが約２．１ｃｍの場合であり、タービン翼型ノズル３のノズル長は７．１０ｃｍである。タービン翼型ノズル３はパイプ２にぴったり収まることから、パイプ２の内径も約２．１ｃｍとなり、渦崩壊用ノズル４の入口側の径も同様に約２．１ｃｍとなる。タービン翼型ノズル３から渦崩壊用ノズル４までの間である渦流部２ｂの長さを約４．２ｃｍとし、渦崩壊用ノズル４の長さを約７．０ｃｍとすると、タービン翼型ノズル３、渦流部２ｂおよび渦崩壊用ノズル４の全体の長さは約１８．３ｃｍとなる。なお、渦崩壊用ノズル４の形状は、縮流部４ａにおける角度４ｅを２０度、出口側の内径４ｆを１．５ｃｍとすると、入口側の径が約２．１ｃｍであることから、渦崩壊部４ｂなどの長さが定まる。
具体例４〜６におけるパイプ２の寸法は、マイクロバブル６ｄを発生させるのに好ましい数値の例であり、パイプ２の大きさに応じて、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４の大きさも調整する必要がある。
【００５８】
以上のように、この第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置１では、その構成要素であるタービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４が直線的に配列しているため、装置の小型化および大型化とも可能であり、現有設備に容易に直結することができる。また、タービン翼型ノズル３の給気孔３ｅへの気体５ｌの給気を給気装置５により行っているため、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂにおける圧力変動に応じて給気量を自動的に調節することができ、渦崩壊を安定的に起こさせてマイクロバブル６ｄを発生させることができる。また、マイクロバブル６ｄの発生メカニズムが明瞭なため、パイプ２への液体６の供給に用いるポンプの性能に応じてマイクロバブル発生装置１の設計を容易に行うことができる。
【００５９】
次に、第２の例による旋回流型マイクロバブル発生装置について説明する。
図２０に示すように、この旋回流型マイクロバブル発生装置１においては、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの先端にテーパー部４ｈを設けて、出口をテーパー状に広げたことを特徴とする。すなわち、第１の例によるマイクロバブル発生装置１の渦崩壊用ノズル４では、渦崩壊部４ｂの先端である出口の角度４ｉが０度であるのに対し、この第２の例によるマイクロバブル発生装置１の渦崩壊用ノズル４では、渦崩壊部４ｂの出口の角度（テーパー角）４ｉを十分に大きくしたテーパー部４ｈを設けている。この角度４ｉは、具体的には、例えば６０度または８０度程度にするが、これに限定されるものではない。
【００６０】
第１の例の渦崩壊用ノズル４の場合は、渦流部２ｂで旋回流６ｃの中心付近に生じた気柱６ｂが、縮流部４ａで流速が増され、渦崩壊部４ｂで細かく潰されることにより、マイクロバブル６ｄが発生するのに対して、この第２の例の渦崩壊用ノズル４の場合は、気柱６ｂは渦崩壊部４ｂを通過し、テーパー部４ｈにおいて、コアンダ効果により気泡となって張り付く。テーパー部４ｈに張り付いた気泡は、渦流部２ｂから続く旋回流６ｃにより剪断または破砕され、マイクロバブル６ｄが発生する。このようにテーパー部４ｈに張り付くことにより、気泡が剪断を受ける時間が長くなり、気泡の微粒化が促進される。
なお、コアンダ効果とは、流れの中に物体を置いたときに、置いた物体に沿って流れの向きが変わる流体の性質のことで、旋回流６ｃが渦崩壊部４ｂからテーパー部４ｈに入ってテーパー状に広がることで気柱６ｂも広がり、気泡がテーパー部４ｈに張り付く。
【００６１】
この第２の例の渦崩壊用ノズル４の寸法は、縮流部４ａの入口の内径（＝パイプ２の内径２ｄ）、縮流部４ａの角度４ｅおよび渦崩壊部４ｂの内径４ｆは、第１の例の渦崩壊用ノズル４と同様であるが、円筒状の渦崩壊部４ｂの長さ４ｇについては、内径４ｆと同程度である。
図２１Ａ、ＢおよびＣは、渦崩壊部４ｂの形状を変えた場合の旋回流型マイクロバブル発生装置１のマイクロバブル６ｄの発生状況を比較した図である。
【００６２】
図２１Ａに示すように、第１の例の渦崩壊用ノズル４の場合、パイプ２の渦流部２ｂから縮流部４ａに流れてきた気柱６ｂは、渦崩壊部４ｂにおいて渦崩壊してマイクロバブル６ｄが発生するが、直線状の狭い範囲にしか広がらない。
図２１Ｂに示す渦崩壊用ノズル４は、渦崩壊部４ｂの全体をテーパー部とした場合であるが、このテーパー部において発生したマイクロバブル６ｄは、図２１Ａの場合に比べて僅かに範囲が広がる程度である。
図２１Ｃに示す渦崩壊用ノズル４の場合、テーパー部４ｈに張り付いた気泡を剪断または破砕することによりマイクロバブル６ｄが発生するので、マイクロバブル６ｄはテーパー状に非常に広い範囲に広がる。
【００６３】
図２２ＡおよびＢは二種類の渦崩壊の様子を示す。いずれも渦崩壊用ノズル４の出口のテーパー部４ｈの急拡部の存在により渦は不安定となり渦崩壊が生じるが、図２２Ａに示す渦崩壊では、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの最小断面で流れが超臨界（supercritical)となり擾乱が上流に伝播できないのに対し、図２２Ｂに示す渦崩壊では、渦崩壊用ノズル４の全領域で亜臨界（subcritical)となり擾乱は上流に伝播する。
【００６４】
この第２の例によれば、第１の例と同様な利点に加えて、次のような利点を得ることができる。すなわち、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの先端にテーパー部４ｈが設けられていることにより、旋回流６ｃはこのテーパー部４ｈに張り付く。このため、マイクロバブル６ｄの発生効率の向上を図ることができるとともに、テーパー部４ｈの角度４ｉの選定によりマイクロバブル６ｄの噴き出し方向の制御を容易に行うことができる。
【００６５】
次に、第３の例による旋回流型マイクロバブル発生装置１について説明する。
図２３に示すように、この旋回流型マイクロバブル発生装置１は、第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置１と比べて、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４と給気装置５との接続方法が異なる。具体的には、この旋回流型マイクロバブル発生装置１においては、給気装置５の通気孔５ｆとタービン翼型ノズル３の給気孔３ｅとを、給気装置５の高圧力部５ｊと渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの入口側の圧力検出器４ｃとを接続し、給気装置５の低圧力部５ｋと渦崩壊用ノズル４の外側に設けた圧力検出器４ｄとを接続して給気を自動化したことを特徴とする。圧力検出器４ｃは、渦崩壊用ノズル４において内部を通過する気柱６ｂの圧力を検出し、圧力検出器４ｄは、パイプ２の外部でマイクロバブル６ｄの圧力を検出する。
なお、給気装置５の通気孔５ｆの一端とタービン翼型ノズル３の給気孔３ｅとを給気管５ｉで繋ぐことは第１の例と同様である。また、通気孔５ｆの他端は開放して気体５１を取り込むが、特別な気体を使用する場合にはボンベなどを接続する。
【００６６】
次に、第４の例による旋回流型マイクロバブル発生装置１について説明する。
図２４に示すように、この旋回流型マイクロバブル発生装置１は、第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置１と比べて、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４と給気装置５との接続方法が異なる。具体的には、この旋回流型マイクロバブル発生装置１においては、給気装置５の高圧力部５ｊは、渦崩壊用ノズル４の出口周辺の静水圧に開放した圧力検出器４ｄに接続し、給気装置５の低圧力部５ｋは、タービン翼型ノズル３の給気孔３ｅに設けた圧力検出器４ｃと接続して給気を自動化したことを特徴とする。圧力検出器４ｃは、タービン翼型ノズル３において発生する気柱６ｂの圧力を検出し、圧力検出器４ｄは、パイプ２の外部でマイクロバブル６ｄの圧力を検出する。この旋回流型マイクロバブル発生装置１の接続方法は、渦崩壊用ノズル４に圧力検出器を設置する必要がなく簡便である。
【００６７】
圧力検出器４ｃで検出した内部の気柱６ｂの圧力と圧力検出器４ｄで検出した外部のマイクロバブル６ｂの圧力との圧力差が大きいときは、マイクロバブル６ｂが効率よく発生している状態であり、圧力差が小さいときは、空気量が多過ぎてマイクロバブル６ｄの発生が少ない状態である。
内部の気柱６ｂの圧力と外部のマイクロバブル６ｂの圧力との圧力差が大きい場合は、給気装置５のピストン５ｂを右に移動させて通気孔５ｆを開放し、給気孔３ｅに気体５１を供給する。
逆に、内部の気柱６ｂの圧力と外部のマイクロバブル６ｄの圧力との圧力差が小さい場合は、給気装置５のピストン５ｂを左に移動させて通気孔５ｆを塞いでいき、給気孔３ｅに供給する気体５ｌの量を抑制する。
【００６８】
次に、第５の例による旋回流型マイクロバブル発生装置１について説明する。
図２５に示すように、この旋回流型マイクロバブル発生装置１は、パイプ２を入口２ａの内径２ｄを細くした拡大管１１に替えたことが第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置１と異なる。拡大管１１は、入口２ａ側の細管部１１ａの内径１１ｄが小さく、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４のある太管部１１ｃの内径１１ｅが大きい形状を有する。
【００６９】
細管部１１ａから太管部１１ｃに至る拡大部１１ｂについては、図２５に示す二つの点線の円のように、円弧状に滑らかに内径が拡大していき、拡大部１１ｂの後部は、タービン翼型ノズル３の半球状部３ｃに沿う形となっている。拡大部１１ｂを滑らかに広げることにより、拡大管１１に液体６が流れる際に、流水断面積が急増加しないので、タービン翼型ノズル３で液体流６ａを拡大管１１の軸方向から円周方向ｆに効果的に変換することができる。
この旋回流型マイクロバブル発生装置１においては、送水ポンプなどの送液ポンプなどから拡大管１１の入口２ａに供給された直線的な液体流６ａが効率的に螺旋状の旋回流６ｃに変換され、また、タービン翼型ノズル３による縮流の影響も小さくなり、エネルギー損失が減少する。
この第５の例によれば、第１の例と同様な利点に加えて、マイクロバブル６ｄの発生効率の向上を図ることができるという利点を得ることができる。
【００７０】
次に、第７の例による旋回流型マイクロバブル発生装置について説明する。
図２６および図２７はそれぞれ、旋回流型マイクロバブル発生装置１のマイクロバブル６ｄの発生状況を確認するために計測した音波のスペクトルおよび画像のスペクトルを示す。これは、渦崩壊が生じるときに発生する音（vortex whistle) を測定することで、旋回流６ｃの回転周波数を予測することができることを示したものである。
【００７１】
図２６に示す音波のスペクトルは、液中を伝搬する音を受信することができるハイドロホーンにより旋回流６ｃが発する音の振動数を測定したグラフであり、図２７に示す画像のスペクトルは、高速ビデオ映像により旋回流６ｃの回転周波数を測定したグラフである。ただし、タービン翼型ノズル３のノズル径３ｊは４ｃｍ、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの内径４ｆは１ｃｍ、液体６として用いた水の流量は７００ｃｃ／ｓである。
【００７２】
図２６および図２７に示すように、音波のスペクトルにおける振動数と画像のスペクトルにおける周波数とは、ともに約４６０Ｈｚにおいてパワースペクトルの値に特徴が見られる。また、図２６に示す音波のスペクトルにおいて、約４６０Ｈｚの右隣の５２０Ｈｚ付近に現れるピークがマイクロバブル６ｄの発生状況を示している。なお、パワースペクトルとは、振動する量の二乗平均値を振動数成分の分布として表したものである。
【００７３】
この第６の例によれば、マイクロバブル６ｄが効率良く発生しているかどうかを直接マイクロバブル６ｄの映像を観ることなく、水中音を測定することで確認することができるため、第１〜第５の例のように渦崩壊用ノズル４の圧力を検出するのではなく、給気孔３ｅへの気体５ｌの給気量を音波の計測のみで調整することが可能となる。また、液体６が不透明である場合にも、マイクロバブル６ｄの発生状況を容易に把握することができる。
【００７４】
次に、第７の例による旋回流型マイクロバブル発生装置について説明する。
この旋回流型マイクロバブル発生装置１においては、渦崩壊用ノズル４の出口のエッジを滑らかにすることを特徴とする。
図２８Ａは渦崩壊用ノズル４、図２８Ｂはこの渦崩壊用ノズル４の出口のエッジ４ｋの拡大図である。
【００７５】
渦崩壊用ノズル４の出口のエッジ４ｋを滑らかにすることにより、気柱６ｂが渦崩壊用ノズル４の前面に張り付き（コアンダ効果）、その旋回流６ｃによる剪断で気柱６ｂが破砕され、マイクロバブル６ｄが発生する。また、マイクロバブル６ｄは渦崩壊用ノズル４の前面の広い範囲に分散する。気柱６ｂが渦崩壊用ノズル４の前面に張り付くには、旋回流６ｃによる遠心力が主流方向の遠心力より大きくなる必要がある。このため、エッジ４ｋの曲率半径をρe とすると、
ρe 〜（ｕe ／ｖe ）2 ｒe ＝Γe -2ｒe (14)
以上とする必要がある。ただし、ｖe は渦崩壊用ノズル４の出口における旋回流６ｃの周方向速度である。すなわち、
ρe ≧Γe -2ｒe (15)
とする。
渦崩壊用ノズル４の管状の渦崩壊部４ｂとテーパー部４ｈの前面とのなす角度θ0 は、渦崩壊用ノズル４の出口からのマイクロバブル６ｄの噴き出し方向を決定する。
【００７６】
図２９は超臨界渦崩壊の場合を示し、Γe 〜Γcrである。また、図３０は亜臨界渦崩壊の場合を示し、Γe ＞Γcrである。
図３１Ａ、ＢおよびＣはそれぞれ、θ0 〜１００度、θ0 〜９０度、θ0 〜４５度の場合であり、いずれの例でも渦崩壊用ノズル４の出口のエッジ４ｋの曲率により旋回流６ｃが渦崩壊用ノズル４の前面に付着し、この前面の接線方向に流れる。
【００７７】
以上の旋回流型マイクロバブル発生装置１を基礎としてこの発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置について説明する。この旋回流型マイクロバブル発生装置においては、旋回流型マイクロバブル発生装置１と同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図３２Ａ、ＢおよびＣは、この一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置における圧力遮断用ノズルの三つの設置形態を示す。
【００７８】
図３２Ａに示す設置形態（タイプＡ）においては、旋回流型マイクロバブル発生装置１の渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの下流側の端面Ｐ１側に、この渦崩壊用ノズル４と同軸に、かつ渦崩壊部４ｂと対向して圧力遮断用ノズル２１が設置される。この場合、渦崩壊用ノズル４の外形は円柱形状を有する。圧力遮断用ノズル２１の外形も円柱形状を有し、渦崩壊部４ｂの外周の直径と同じ直径を有する。渦崩壊部４ｂは円柱形状の、マイクロバブル６ｄの噴出口Ｑを有する。渦崩壊部４ｂの下流側の端面Ｐ１と圧力遮断用ノズル２１の上流側の端面Ｐ２との間には間隙２２が形成されている。この間隙２２の間隔は渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１の中心軸から放射方向に直線的に徐々に増加している。圧力遮断用ノズル２１のうちの噴出口Ｑと対向する部分は、この噴出口Ｑから出てくる旋回流の中心部の低圧部をこの圧力遮断用ノズル２１の下流側と遮断するように構成されている。言い換えると、この場合、圧力遮断用ノズル２１のうちの噴出口Ｑと対向する部分には貫通孔が設けられていない。また、この圧力遮断用ノズル２１のうちの噴出口Ｑと対向する部分は渦崩壊部４ｂ、より詳細には噴出口Ｑに貫入していない。この場合、渦崩壊部４ｂの噴出口Ｑから気液混相流（例えば、水と空気などの混相流）が噴出され、エッジ４ｋおよびテーパー部４ｈでマイクロバブルが生成され、間隙２２を通って外部（水などの液体）にマイクロバブルが放出される。
【００７９】
図３２Ｂに示す設置形態（タイプＢ）においては、旋回流型マイクロバブル発生装置１の渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの下流側の端面Ｐ１側に、この渦崩壊用ノズル４と同軸に、かつ渦崩壊部４ｂと対向して圧力遮断用ノズル２１が設置される。これらの渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１はパイプ２の内部に収容されている。この場合、渦崩壊用ノズル４の外形は円柱形状を有する。圧力遮断用ノズル２１の外形も円柱形状を有し、渦崩壊部４ｂの外周の直径と同じ直径を有する。渦崩壊部４ｂは円柱形状の、マイクロバブル６ｄの噴出口Ｑを有する。渦崩壊部４ｂの下流側の端面Ｐ１と圧力遮断用ノズル２１の上流側の端面Ｐ２との間には間隙２２が形成されている。この間隙２２の間隔は渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１の中心軸から放射方向に直線的に徐々に増加している。圧力遮断用ノズル２１の外周面にはこの圧力遮断用ノズル２１の中心軸に平行な複数の溝２１ａが、典型的には円周方向に等間隔に設けられており、圧力遮断用ノズル２１の外形の直径はパイプ２の内径と等しい。溝２１ａの深さをｄ、溝２１ａの長さをｈとしたとき、これらの溝２１ａのアスペクト比ｈ／ｄ＞１である。圧力遮断用ノズル２１のうちの噴出口Ｑと対向する部分は、この噴出口Ｑから出てくる旋回流の中心部の低圧部をこの圧力遮断用ノズル２１の下流側と遮断するように構成されている。言い換えると、この場合、圧力遮断用ノズル２１のうちの噴出口Ｑと対向する部分には貫通孔が設けられていない。また、この圧力遮断用ノズル２１のうちの噴出口Ｑと対向する部分は渦崩壊部４ｂ、より詳細には噴出口Ｑに貫入していない。この場合、渦崩壊部４ｂの噴出口Ｑから気液混相流（例えば、水と空気などの混相流）が噴出され、エッジ４ｋおよびテーパー部４ｈでマイクロバブルが生成され、間隙２２を通り、さらにパイプ２と圧力遮断用ノズル２１の外周面に形成された溝２１ａとの間の空間を通って外部（空中または管路）にマイクロバブルが放出される。
圧力遮断用ノズル２１の外周面に溝２１ａを形成する代わりに、この圧力遮断用ノズル２１の内部の外周面に近接する部分に、この圧力遮断用ノズル２１の中心軸に平行な複数の孔２１ｂを、典型的には円周方向に等間隔に設けてもよい。この場合、孔２１ｂの内径をｄ、孔２１ｂの長さをｈとしたとき、これらの孔２１ｂのアスペクト比ｈ／ｄ＞１である。
【００８０】
図３２Ｃに示す設置形態（タイプＣ）においては、旋回流型マイクロバブル発生装置１の渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの下流側の端面Ｐ１側に、この渦崩壊用ノズル４と同軸に、かつ渦崩壊部４ｂと対向して圧力遮断用ノズル２１が設置される。これらの渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１はパイプ２の内部に収容されている。この場合、渦崩壊用ノズル４の外形は円柱形状を有する。圧力遮断用ノズル２１は上流から下流に向かってすぼまった形状を有し、上流側の部分は渦崩壊部４ｂの外周の直径と同じ直径を有する。渦崩壊部４ｂは円柱形状のマイクロバブル６ｄの噴出口Ｑを有する。渦崩壊部４ｂの下流側の端面Ｐ１と圧力遮断用ノズル２１の上流側の端面Ｐ２との間には間隙２２が形成されている。この間隙２２の間隔は渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１の中心軸から放射方向に直線的に徐々に増加している。この圧力遮断用ノズル２１の内部には、パイプ２の内壁に隣接する部分の間隙２２とこの圧力遮断用ノズル２１の下流側の端面Ｐ３との間を連通し、かつこの端面Ｐ３で互いに合流する複数の孔２１ｂが設けられている。孔２１ｂの内径をｄ、孔２１ｂの長さをｈとしたとき、これらの孔２１ｂのアスペクト比ｈ／ｄ＞１である。この場合、渦崩壊部４ｂの噴出口Ｑから気液混相流（例えば、水と空気などの混相流）が噴出され、エッジ４ｋおよびテーパー部４ｈでマイクロバブルが生成され、間隙２２を通り、さらに圧力遮断用ノズル２１の孔２１ｂを通って外部（空中または水中（一般的には液体中））にマイクロバブルが放出される。
【００８１】
上述のタイプＡ〜Ｃによれば、次の（ａ）〜（ｃ）の効果を得ることができる。
（ａ）音波の発生に伴う騒音を低減することができる。
音波の発生は、旋回流型マイクロバブル発生装置を民生品もしくは水質改善に使用する際の騒音問題を引き起こし、また、旋回流型マイクロバブル発生装置から発せられる音波は旋回周波数と装置内部に形成される気柱の固有周波数との２種類の周波数の振動が存在する。タイプＡ〜Ｃによれば、圧力遮断用ノズル２１を渦崩壊用ノズル４の下流側に設置しているので、渦崩壊をスパイラル型からバブル型に遷移させることができる。バブル型の渦崩壊は気柱を伸縮させる外力が小さいため、気柱音が小さくなる。また、圧力遮断用ノズル２１は渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１側に固定しているため、旋回流６ｃの乱れが小さくなり、上述の旋回音および気柱音が軽減される。
【００８２】
（ｂ）水中放出時の放出流体の再吸い込みを防止することができる。
マイクロバブルによるフロックの泡沫浮上分離時に放出流体を再吸い込みすることでフロックが破壊され、液中に分散されることを阻止することができる。すなわち、タイプＡ〜Ｃによれば、圧力遮断用ノズル２１により放出されたマイクロバブル水は再吸い込みされない。
（ｃ）旋回流の中心における低圧部の生成による溶解気体の再気泡化を防止することができる。
旋回流型マイクロバブル発生装置では旋回流中心部の圧力が低下し、この気体圧力の低下は、生成気泡径の縮小と同時に、溶存気体が気体として析出することを意味する。タイプＡ〜Ｃによれば、圧力遮断用ノズル２１の設置により縮流部を設けることで、渦崩壊部４ｂの噴出口Ｑにおける圧力を高くすることができる。
【００８３】
タイプＢ、Ｃによれば、次の（ｄ）、（ｅ）の効果を得ることもできる。
（ｄ）空中に放出する場合の空気の吸い込みによる微細気泡の不生成を防止することができる。
これは、マイクロバブル入りの空中放射ウオータージェット用ノズルの実現に重要である。渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１が大気と接していると、中心部の負圧のために大気中の空気を吸い込み液膜シートが生成される。タイプＢ、Ｃによれば、渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１の流れの低圧部を圧力遮断用ノズル２１で遮蔽することができ、また、圧力遮断用ノズル２１の溝２１ａを渦崩壊用ノズル４の中心軸から半径方向に離れた位置に設けることにより、微細気泡の生成およびジェットの生成を行うことができる。
【００８４】
（ｅ）管路途中に設置した場合の液体全体の旋回による気泡発生効率の低下を防止することができる。
渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１側にこの渦崩壊用ノズル４の外径程度の広さの空間しか取れない場合には、微細気泡の発生効率が低下するため工夫を必要とする。すなわち、旋回流型マイクロバブル発生装置を通過した流れが管路内の全体的な旋回流を励起し、旋回流型マイクロバブル発生装置による旋回流のエネルギーがこの旋回流の生成に使用される。また、旋回流型マイクロバブル発生装置の下流における渦の生成は、気泡を管路内に滞留させるとともに、微細気泡の合体を引き起こす。タイプＢ、Ｃによれば、圧力遮断用ノズル２１により旋回流型マイクロバブル発生装置の下流における渦の発生および旋回流の生成を阻止することができる。
【００８５】
圧力遮断用ノズル２１の形状について、図３３ＡおよびＢに示すものを例にとって改めて詳細に説明する。
この圧力遮断用ノズル２１の形状は以下の条件１〜４を満たす。
＜条件１＞
圧力遮断用ノズル２１の渦崩壊用ノズル４側の端面Ｐ２は、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの端面Ｐ１の形状に依存し、図３３Ａに示す、渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１の中心軸に平行な方向の間隙２２の間隔がこの中心軸から放射方向に（外向きに）直線的に徐々に増加している。
【００８６】
＜条件２＞
圧力遮断用ノズル２１のうちの渦崩壊用ノズル４の噴出口Ｑに対向する部分には貫通孔を設けない。
＜条件３＞
圧力遮断用ノズル２１の上流側の端面Ｐ２は渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂ、より詳細には噴出口Ｑに貫入しない。
＜条件４＞
圧力遮断用ノズル２１の溝２１ａのアスペクト比ｈ／ｄ＞１である。
【００８７】
本発明者は、圧力遮断用ノズル２１の上流側の端面Ｐ２の頂角θSU、ならびに、渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１の中心軸上における渦崩壊用ノズル４と圧力遮断用ノズル２１との間隔ｔ（図３３ＡおよびＢ参照）を適切に選ぶことにより、気柱内圧力を極小にすること、言い換えれば吸い込み圧力を極大にすることが可能であることを見出した。具体的には、圧力遮断用ノズル２１の端面Ｐ２の頂角θSU、および、間隔ｔの最適値はおよそ次式で与えられる。
θSU≦θVB、ｔ≒Ｄe ／４ (16)
ここで、θVBは渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの下流側の端面Ｐ１の頂角、Ｄe は噴出口Ｑの直径である。間隙２２の間隔は渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１の中心軸から放射方向に増加するが、こうすることで、渦崩壊部４ｂの噴出口Ｑにおける流れ中の低圧位置が上流に移動して流れの吸出し効果が得られることが知られている（ディフューザーの原理）。
【００８８】
本発明者の検討の結果、間隙２１の開角Δθ≡θVB−θSUが１０°〜２０°のとき、気柱内圧力が最低となった。Δθが２０°よりも大きいと、間隙２１内の漸拡した流れは、剥離などが発生することにより不安定となり、逆に気柱内圧力の低下量が減少する。
図３４は、渦崩壊用ノズル４と圧力遮断用ノズル２１との間隔ｔと気柱内圧力（吸い込み圧力）、発生音圧およびノズル抵抗との定性的な関係を模式的に示したものである。
図３４中のＳ１〜Ｓ４はそれぞれ図３５Ａ〜Ｄに対応する。図３５Ａに示すＳ１の状態では、渦崩壊用ノズル４と圧力遮断用ノズル２１との間隔ｔが極めて小さく、流体が間隙２２を通過する際の圧力欠損が旋回流による圧力増加よりも大きくなる。この間隔ｔは、後に詳細に説明するように、およそ
【数１４】
となる。この場合には、上記の（ａ）〜（ｅ）の効果を得ることができる。ただし、この場合には流れの抵抗が大きいため、高揚程ポンプを用いる必要がある。また、旋回流型マイクロバブル発生装置１からの給気は困難となる。このＳ１に示す状態では、渦崩壊部４ｂの噴出口Ｑにおいて気体の加圧が促進され、間隙２２を通過するに伴って溶解気体の再気泡化が促進される。
【００８９】
図３５Ｂに示すＳ２の状態では、流水抵抗および気柱内圧力が極小となり、発生音も小さい。旋回流型マイクロバブル発生装置１の出口で吸い込み流れが生じない条件として
ｔ＜Ｄe ／４ (18)
が挙げられる。一方で、間隔ｔは間隙２２の抵抗が旋回流型マイクロバブル発生装置１の抵抗に比べて無視することができるように、旋回流型マイクロバブル発生装置１の出口の最小断面積と同オーダー程度となっている。これは、πＤe 2 ／４≒ｔ・πＤe から分かる。この間隔ｔの最適値（気柱内圧力が最小となる位置）は
ｔ≒Ｄe ／４ (19)
である。この場合には、上記の（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）の効果を得ることができる。このＳ２の状態では気泡の圧壊が促進される。
【００９０】
図３５Ｃに示すＳ３の状態では、気柱が圧力遮断用ノズル２１に付着する。この場合、
Ｄe ／２＜ｔ＜Ｄe (20)
である。この場合、気柱内圧力は低下せず、微細気泡発生効率は低下する。この場合には、上記の（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）の効果を得ることができる。
【００９１】
図 に示すＳ４の領域では、気柱は渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１に付着し、発生音は大きい。
ｔ＞２Ｄe (21)
この場合には、上記の（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）の効果を得ることができる。旋回流型マイクロバブル発生装置の発生音が問題とならない場合には、この配置で気泡の発生効率は低下しない。
【００９２】
次に、圧力遮断用ノズル２１の効果の検証を行った結果について説明する。
実験Ｉでは、圧力遮断用ノズル２１の端面Ｐ２の頂角θSUおよび間隔ｔを変化させたときの気柱内圧力および発生音の音圧について、気柱内圧力がｔ≒Ｄe ／４で極小値をとること、および、発生音が低減されることを示す。また、実験ＩＩでは、間隔ｔを詳細に変え、確かに気柱内圧力が極小値を持つことを検証した。
【００９３】
＜実験Ｉ＞
図３６ＡおよびＢは使用した実験装置の概略図を示す。実験は、以下の２種類の旋回流型マイクロバブル発生装置を使用して行った。
（１）翼３ｂの枚数が３枚で溝３ｄの深さが小さい高旋回流用のタービン翼型ノズル３と端面Ｐ１の頂角θVBがθVB＝２４０°である渦崩壊用ノズル４とを有する旋回流型マイクロバブル発生装置を使用する。
（ｂ）翼３ｂの枚数が５枚で溝３ｄの深さが大きい中間旋回流用のタービン翼型ノズル３と端面Ｐ１の頂角θVBがθVB＝１８０°である渦崩壊用ノズル４とを有する旋回流型マイクロバブル発生装置を使用する。
【００９４】
（Ｉａ）気柱内圧力（吸い込み圧）
まず、無給気にして気柱内圧力を計測した。（１）においてＤe ＝５ｍｍ、水の流量Ｑw ＝５Ｌ／ｍｉｎ、サーキュレーション数Γe ＝１．９のときの結果を図３７に示す。図３７に示すように、吸い込み圧は間隔ｔが１ｍｍより小さいある値で極大となり、間隔ｔが増加すると減少する。（２）においてＤe ＝６．５ｍｍ、水の流量Ｑw ＝１０Ｌ／ｍｉｎ、サーキュレーション数Γe ＝２．３のときの結果を図３８に示す。図３８に示すように、吸い込み圧は間隔ｔが１ｍｍ程度の値で極大となり、間隔ｔが増加すると一
旦減少するがその後増加し、ある値に漸近する。（１）、（２）のいずれの場合においても
Δθ≡θVB−θSU＝１０°〜２０° (22)
のときに吸い込み圧が極大となる間隔ｔが存在することが分かる。
【００９５】
（１ｂ）音圧
圧力遮断用ノズル２１を渦崩壊用ノズル４の下流側に設けることにより音圧を減少させることができることを示す。
旋回流型マイクロバブル発生装置からは主に２種類の音波が発せられる。図３９に翼３ｂの枚数が５枚のタービン翼型ノズル３を用い、無給気としたときの旋回周波数および気柱の固有振動数と間隔ｔとの関係を示す。これらの旋回周波数および固有振動数は圧力遮断用ノズル２１の位置および頂角θSUに差ほど依存しない。一方で、それぞれの音波について、そのエネルギーが間隔ｔによってどのように変化するかを図 に示す。間隔ｔが２ｍｍ以下のときの音波のエネルギーは間隔ｔが大きいときの値に比べて１／１０程度となっていることが分かる。また、θSU＝１６０°（Δθ＝２０°）の場合に音波の減衰が最も大きくなっている。さらに、間隔ｔが２ｍｍのとき、気柱の振動から出る音波の遮蔽が顕著であることが分かる。この方法によって特に気柱音が低減されることが分かる。
【００９６】
次に、間隔ｔを１ｍｍに固定し、給気量Ｑa を変化させたときの音波のエネルギーを求めた結果について説明する。図４２および図４３に結果を示す。図４２および図４３より、吸い出し効果を持つ圧力遮断用ノズル２１の方が音圧が小さいこと、および、給気量Ｑa を増加させても音圧を減衰する効果が維持されることが分かる。
【００９７】
＜実験ＩＩ＞
θVB＝１６０°、Ｄe ＝８ｍｍの渦崩壊用ノズル４およびθSU＝１４０°、直径Ｄ＝４０ｍｍの圧力遮断用ノズル２１を用いて実験を行った。水の流量Ｑw は２０Ｌ／ｍｉｎ、給気量Ｑa は１００ｃｃ／ｍｉｎである。
図４４は気柱内圧力（吸い込み圧）、図４５は間隔ｔによるポンプ流量の変化を示す。図４４および図４５より、間隔ｔがおよそ２ｍｍのとき吸い込み圧は極大となり、同時にポンプ流量がｔ〜２Ｄe に比べて大きいことが分かる。ポンプ流量の増大は流体抵抗が減少したことを示す。
図４６に、ｔ＝２．２ｍｍ（ｔ≒Ｄe ／４）およびｔ＝１５ｍｍ（ｔ〜２Ｄe ）における発生音のスペクトルを示す。図４６より、間隔ｔ、すなわち渦崩壊用ノズル４に対する圧力遮断用ノズル２１の位置によって音波のスペクトルが大きく変化すること、ｔ≒Ｄe ／４のとき、吸い込み圧が極小値をとって音圧が低減することが分かる。この音圧の低減は、渦崩壊用ノズル４の下流側の気柱形状が変化したためである。
【００９８】
次に、空中放射、管路内、水中における旋回流型マイクロバブル発生装置における圧力遮断用ノズル２１の使用形態を説明する。
まず、水中で上述のタイプＡ（図３２Ａ）を用いる場合について説明する。
渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１に十分な広がりを持ち、旋回流が放射方向に広がる場合には、圧力遮断用ノズル２１に孔を設ける必要はない。このとき、流体は放射方向に流出する（図３２Ａ）。この場合、音波の音圧を小さくすることを目的として圧力遮断用ノズル２１を設置する。また、音波は渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１から放射されるため、圧力遮断用ノズル２１を音波を透過させない材料で製作するか、ある程度の厚みを持たせることが有効である。
【００９９】
次に、管路内で上述のタイプＢ（図３２Ｂ）を用いる場合について説明する。
旋回流が旋回流型マイクロバブル発生装置の下流で形成されることを防ぐと同時に音波を低減する。圧力遮断用ノズル２１の溝２１ａは旋回流が下流に形成されないようにａ＜ｈ（ａは溝２１ａの幅）とする（図４７ＡおよびＢ参照）。また、溝２１ａの半径方向の距離、言い換えると深さｄは渦崩壊用ノズル４の噴出口Ｑに達しない程度とする。特に、旋回流型マイクロバブル発生装置の抵抗に比べて溝２１ａの抵抗が十分小さくなるように溝２１ａの全体の流水断面積を大きくする。
【０１００】
次に、空中放射で上述のタイプＣ（図３２Ｃ）を用いる場合について説明する。
渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１の旋回流が広がるように、圧力遮断用ノズル２１の半径は大きいほうが良い。また、旋回流型マイクロバブル発生装置の抵抗に比べて溝２１ａの抵抗が十分小さくなるように溝２１ａの全体の流水断面積を大きくする。圧力遮断用ノズル２１の厚さは適宜決定するが、厚いほうが音波の外部への放射が少なくなる。圧力遮断用ノズル２１の中央付近に貫通孔を設けることはできないため（気柱内に大気が吸引される）、圧力遮断用ノズル２１の厚みを付けることで圧力遮断用ノズル２１の内部に孔２１ｂからなる流路を作り、ジェットの方向をコントロールしたり、これらの孔２１ｂからなる流路を圧力遮断用ノズル２１の下流側の端面Ｐ３で合流させることでウオータージェットを生成することができる。
【０１０１】
次に、マイクロバブルを高濃度に発生させることができる旋回流型マイクロバブル発生装置について説明する。
図４８は高揚程ポンプを利用した加圧溶解型の旋回流型マイクロバブル発生装置を示す。図４８に示すように、高揚程ポンプ１０１の吸い込み口には給気用の旋回流型マイクロバブル発生装置１０２を取り付ける。旋回流型マイクロバブル発生装置１０２の渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１に圧力遮断用ノズル２１を取り付けることで、高揚程ポンプ１０１を通過する液体が旋回せず、給気した気体は微細化する。さらに、高揚程ポンプ１０１を通過した気体は高揚程ポンプ１０１の揚程により加圧され溶解し、高揚程ポンプ１０１の出口に取り付けられた旋回流型マイクロバブル発生装置１０３により減圧され、再気泡化する。旋回流型マイクロバブル発生装置１０３の渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１に取り付けた圧力遮断用ノズル２１は発生音を低減する。間隔ｔが小さい式（１７）の場合は、加圧効果が増大する一方で流れの抵抗は増大する。Ｄe ／８＜ｔ＜Ｄe ／４では、加圧効果はないが流れの抵抗が減少するとともに再気泡化が促進される。圧力遮断用ノズル２１の位置は高揚程ポンプ１０１の性能にしたがって決定される。
【０１０２】
次に、図４９〜図５１に示す三つの場合について、物理現象に基づいた分類を行い、渦崩壊用ノズル４と圧力遮断用ノズル２１との間隔ｔの最適値を流体の支配方程式にしたがって求める。
図４９に示す場合（図３４に示すＳ３、Ｓ４の状態）には、旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズル４の出口前面の流れはほぼ圧力一定の条件を満たすため、流速はおよそ一定となる（ベルヌーイの定理）。渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１の流体層の厚さは連続の式（体積流量の保存則）から
【数１５】
である。ここで、Ｕは流速、ｒは渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１の中心軸からの放射方向距離、ζ（ｒ）は流速の大きい流体層の厚さである。上式から
【数１６】
である。したがって、図３４に示すＳ３、Ｓ４の状態は
【数１７】
である。ζ（ｒ）の最大値はｒ＝Ｄe ／２より、渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１のすべての領域で式（２５）が満たされるためには
【数１８】
が必要である。式（２６）は前記の式（２０）、（２１）に対応する。
【０１０３】
次に、図５０に示す場合（図３４に示すＳ１、Ｓ２の状態）には、旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズル４の出口前面の流速が、渦崩壊用ノズル４と圧力遮断用ノズル２１との間隔ｔによって決定される（前記の流体層の厚さよりも間隔が小さい）。すなわち、
【数１９】
である。間隔ｔは、渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１のすべての領域で式（２７）が満たされる場合には
【数２０】
渦崩壊用ノズル４の下流側の出口のみで満たされるとすれば
【数２１】
である。一般的には式（２９）が満たされると、前記の流体層が破壊され流体は平均的に渦崩壊用ノズル４と圧力遮断用ノズル２１とで囲まれた領域を流れると考えられ、このときｒ方向の流速はｖr は
【数２２】
で与えられる。ここで、Ｑは流量、Ｓは流水断面積である。また、旋回流は旋回方向の運動方程式
【数２３】
から算定される。ここで、ｆは抵抗係数で滑面乱流の場合には近似的に
【数２４】
で与えられる。ただし、Ｒe は渦崩壊用ノズル４と圧力遮断用ノズル２１との間の流れのレイノルズ数、νは動粘性係数である。一方、粗面乱流の場合には抵抗係数は
【数２５】
で与えられる。ここで、ｋS は相当粗度である。
【０１０４】
簡単のため、旋回方向の抵抗を無視すると、角運動量の保存則（運動量損失を無視）より、
【数２６】
となる。ただし、Ωe は渦崩壊用ノズル４の出口における角速度である。また、圧力遮断用ノズル２１の頂角θSUが１８０°に近いときのｒ方向の運動方程式から圧力勾配ｄＰ／ｄｒは
【数２７】
で与えられる。式（３５）の右辺第一項は流体の減速による圧力勾配、第二項は遠心力、第三項は運動量損失勾配である。式（３０）を式（３５）に代入すると、ｒ方向の圧力は流体の慣性により増加し摩擦により減少することが分かる。すなわち、Ｓ２で示される状態においては、渦崩壊用ノズル４の出口の圧力が極小値をとるためには、渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１のすべての領域でｄＰ／ｄｒ＞０となる必要がある。また、Ｓ１で示される状態においては、渦崩壊用ノズル４の出口の圧力が極大値をとるためには、渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１でｄＰ／ｄｒ＜０となる必要がある。
【０１０５】
以下、簡単のため
【数２８】
として式（３４）を用い、さらにｈ（ｒ）＝const.＝ｈ0 の場合について議論する。
式（３５）から圧力勾配が０となるｒ＝ｒcrを求めると
【数２９】
となる。また、
【数３０】
である。このとき圧力勾配は
【数３１】
である。
【０１０６】
Ｓ１の状態では、渦崩壊用ノズル４の出口の圧力が圧力遮断用ノズル２１によって増加し、Ｓ２の状態では減少する必要があり、次式を満たすように決めることが目安となる。
【数３２】
流体が水の場合には条件式（４０）の境界値ｈ0 はＤe ／２に比べて極めて小さいため、Ｓ２の条件は式（２８）、（２９）から
【数３３】
となる（本実験範囲（Ｄ〜５Ｄe ）では式（１８）がおよその目安となったが、Ｄの値如何によって式（４１）に基づきｈ0 を決定すれば良い）。また、Ｓ１に関してはｈ0 が小さいほど渦崩壊用ノズル４の出口の圧力は大きくなる。一方でｈ0 が小さいとポンプに負荷が掛かるため、式（３８）を満たしポンプの効率が小さくならない範囲でｈ0 を決定すべきである。式（３９）中のｒcrをＤe ｒn ／２とおくと、ｈ0 は近似的に
【数３４】
で与えられる。式（４２）でｒn ＝１と置いたｈ0 の場合には渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１のすべての領域で圧力勾配は負となり、渦崩壊用ノズル４の中心の圧力は必ず増加する。この場合、前記の実験ＩＩの値を代入するとｈ0 ＝０．１２ｍｍとなる。このような小さなｈ0 に対しては式（３１）から抵抗が支配的となり式（３４）は適用できず、近似式
【数３５】
の方が妥当である。この場合には式（４２）の右辺第２項を０と置くことができる。最終的にＳ１の状態を実現するためには上記の式（１７）が必要である。ここで、ｒn ＝１＋（Ｄ／Ｄe −１）／２は渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１と圧力遮断用ノズル２１の上流側の端面Ｐ２とで囲まれた狭窄部の放射方向半分の距離まで圧力が減少し後半で増加するとした場合である。特に、Ｓ１に示す状態の場合にも、渦崩壊用ノズル４の出口（ｒ＜Ｄe ／２）の旋回流は微細気泡の生成に重要であることを実験的に確かめた。
【０１０７】
任意の間隔ｈ（ｒ）については式（３１）および式（３５）をｒ＝Ｄe ／２からｒの正方向に積分することでノズル前面の圧力を推定することができる。ｈ（ｒ）がｒ方向に変化する場合には、圧力勾配ｄＰ／ｄｒに、式（３５）の右辺第一項から
【数３６】
が付加される。したがって、Ｓ２の状態においては前記の流体層が渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１から剥離しない範囲（式（２９））でｄｈ／ｄｒ（正）を大きくすることで渦崩壊用ノズル４の出口の圧力をより小さくすることができる。Ｓ１においてはｄｈ／ｄｒ≦０が望まれる。
【０１０８】
以上、渦崩壊用ノズル４の表面が滑面の場合について議論したが、
Ｓ１：渦崩壊用ノズル４の出口の圧力が高い方が良いため、抵抗が大きくなるように渦崩壊用ノズル４の表面は粗面の方が良い。
Ｓ２：渦崩壊用ノズル４の出口の圧力が低い方が良いため、抵抗が小さくなるように渦崩壊用ノズル４の表面は滑面の方が良い。
ここで粗面とは、表面の凹凸の高さｋs が
【数３７】
より大きい場合である（前記の実験ＩＩの値を代入するとｋS 〜０．００２ｍｍ程度である）。一般に、式（４５）はｈに比べて十分小さいため、Ｓ１でｈが極端に小さくなる場合には粗度を付けて圧力を高くすることが有効である。粗面の場合の抵抗係数式（３３）を用いて、式（４３）の近似の下で式（１７）と同様な関係式を導くと
【数３８】
が得られる。間隙２２のすべての領域で圧力がｒ方向に増加するとすると（ｒn ＝１）、粗度に対する間隔ｈ（ｒ）は図５２で与えられる。特に研磨しない材料で渦崩壊用ノズル４を作った場合にはその表面は粗面であり、図５２から間隙２２の間隔ｈ（ｒ）はおよそ噴出口Ｑの半径の１／３０から１／２０であることが分かる。
以上の主な結論をまとめると、
圧力遮断用ノズル２１は、渦崩壊用ノズル４と圧力遮断用ノズル２１との間隔ｔを変化させることで、下記の二つの異なるタイプの気泡生成を行うことができる。
減圧後の加圧によるマイクロバブル生成
【数３９】
加圧後の減圧によるマイクロバブル生成
【数４０】
ただし、上記の条件は間隙２２のすべての領域で圧力がｒ方向に増加する場合である。
【０１０９】
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、形状、構造、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、形状、構造、配置などを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の本体を示す斜視図である。
【図２】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体を示す斜視図である。
【図３】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体を示す正面図である。
【図４】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体を示す縦断面図である。
【図５】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体の一つの翼の形状を示す略線図である。
【図６】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルを示す縦断面図である。
【図７】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の給気装置を示す縦断面図である。
【図８】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルの縮流部におけるサーキュレーション数を説明するための略線図である。
【図９】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルの臨界ノズル半径を説明するための略線図である。
【図１０】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルで生じる渦崩壊を示す略線図である。
【図１１】Hinzeスケールを説明するための略線図である。
【図１２】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置においてサーキュレーション数が２のときにマイクロバブルを Hinzeスケールまで微粒化するときの給気量を示す略線図である。
【図１３】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置においてサーキュレーション数が３のときにマイクロバブルを Hinzeスケールまで微粒化するときの給気量を示す略線図である。
【図１４】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置においてサーキュレーション数が４のときにマイクロバブルを Hinzeスケールまで微粒化するときの給気量を示す略線図である。
【図１５】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置においてサーキュレーション数が２のときにマイクロバブルを Hinzeスケールまで微粒化するときの給気量と液体流量との比を示す略線図である。
【図１６】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置においてサーキュレーション数が３のときにマイクロバブルを Hinzeスケールまで微粒化するときの給気量と液体流量との比を示す略線図である。
【図１７】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置においてサーキュレーション数が４のときにマイクロバブルを Hinzeスケールまで微粒化するときの給気量と液体流量との比を示す略線図である。
【図１８】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの実施例を説明するための表である。
【図１９】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの形状、渦崩壊用ノズルの形状およびタービン翼型ノズルから渦崩壊用ノズルまでの間隔の実施例を説明するための略線図である。
【図２０】第２の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルを示す縦断面図である。
【図２１】第２の例による旋回流型マイクロバブル発生装置におけるマイクロバブルの発生状況を他の例と比較した略線図である。
【図２２】第２の例による旋回流型マイクロバブル発生装置における二種類の渦崩壊の様子を示す略線図である。
【図２３】第３の例による旋回流型マイクロバブル発生装置を示す縦断面図である。
【図２４】第４の例による旋回流型マイクロバブル発生装置を示す縦断面図である。
【図２５】第５の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の本体を示す縦断面図である。
【図２６】第６の例による旋回流型マイクロバブル発生装置におけるマイクロバブルの発生状況を確認するために計測した音波のスペクトルを示す略線図である。
【図２７】第６の例による旋回流型マイクロバブル発生装置におけるマイクロバブルの発生状況を確認するために計測した画像のスペクトルを示す略線図である。
【図２８】第７の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルを示す縦断面図およびこの渦崩壊用ノズルの出口のエッジの拡大図である。
【図２９】第７の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルで生じる超臨界渦崩壊を示す略線図である。
【図３０】第７の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルで生じる亜臨界渦崩壊を示す略線図である。
【図３１】第７の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルの形状の例を示す縦断面図である。
【図３２】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図３３】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図３４】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図３５】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図３６】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図３７】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図３８】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図３９】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図４０】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図４１】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図４２】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図４３】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図４４】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図４５】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図４６】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置を用いた高濃度マイクロバブル発生装置を示す断面図である。
【図４７】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図４８】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図４９】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図５０】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図５１】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図５２】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【符号の説明】
【０１１１】
２…パイプ、２ａ…渦流部、３…タービン翼型ノズル、３ａ…本体、３ｂ…翼、３ｅ…給気孔、３ｆ…噴射孔、４…渦崩壊用ノズル、４ａ…縮流部、４ｂ…渦崩壊部、４ｈ…テーパー部、４ｋ…エッジ、６…液体、６ａ…液体流、６ｂ…気柱、６ｃ…旋回流、６ｄ…マイクロバブル、２１…圧力遮断用ノズル
【技術分野】
【０００１】
この発明は、旋回流型マイクロバブル発生装置および圧力遮断用ノズルに関し、マイクロバブルを利用した各種の処理に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロバブルは、発生時において気泡径が一般に１０〜数１０μｍである微細気泡であり、水中で普通に発生する直径数ｍｍ程度の気泡と比べると極めて小さい。マイクロバブルは、このように極端に小さいため、微細なゴミを吸着して水面に浮上させる性質を持ち、水産物の洗浄や水質浄化などに応用されている。
【０００３】
従来、このマイクロバブルの発生装置としては、旋回流型マイクロバブル発生装置が多く用いられている。しかしながら、この旋回流型マイクロバブル発生装置は、１）音波の発生に伴う騒音、２）水中放出時の放出流体の再吸い込み、３）旋回流の中心における低圧部生成による溶解気体の再気泡化などの多く課題を有している。１）の音波の発生は、旋回流型マイクロバブル発生装置を民生品または水質改善に使用する際の騒音問題を引き起こす。ここで、旋回流型マイクロバブル発生装置から発せられる音波は、旋回周波数と装置内部に形成される気柱の固有周波数との２種類の周波数の振動が存在することが知られている。２）はマイクロバブルによるフロックの泡沫浮上分離時に放出流体を再吸い込みすることでフロックが破壊され液中に分散される。３）は溶存気体の溶解度の上昇が阻止される。
【０００４】
従来、旋回流生成用の円錐形スペースの旋回気液導出口にバッフル板（邪魔板）を設置した旋回式微細気泡発生装置が知られている（特許文献１参照。）。これによれば、微細気泡の生成および拡散を促進することができるとされている。
【０００５】
また、旋回流のノズル出口に隆起部を備えたキャップを設置した微細気泡発生器およびそれを備えた微細気泡発生装置が知られている（特許文献２参照。）。これによれば、混合流体内を減圧することができ、微細気泡を効率的に発生させることができ、噴出量と旋回数とを増加させることができるとされている。特許文献２には、キャップ部とノズルとの距離は噴出孔、気体の容積、ポンプの吐出圧などによることも記載されている。
【０００６】
また、旋回流の旋回を利用してこの旋回流にせん断力を作用させる気泡発生手段として旋回流のノズル出口に下流部に格子を設置した気泡発生装置が知られている（特許文献３参照。）。これによれば、旋回流に大きなせん断を働かせることができることが記載されている。
なお、渦崩壊現象を利用した旋回流型マイクロバブル発生装置が提案されている（例えば、特許文献４参照。）
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２０５２２８号公報
【特許文献２】国際公開第０１／０９７９５８号パンフレット
【特許文献３】特開２００５−１６９２８６号公報
【特許文献４】国際公開第０６／０７５４５２号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、本発明者の検討によれば、特許文献１〜３に記載された技術では、上記の１）〜３）の課題を解決することはできない。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、音波の発生に伴う騒音、水中放出時の放出流体の再吸い込み、旋回流中心における低圧部生成による溶解気体の再気泡化などを有効に防止することができる旋回流型マイクロバブル発生装置およびこれに用いて好適な圧力遮断ノズルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、第１の発明は、
マイクロバブルの噴出口を有する第１のノズルの下流側の端面側にこの第１のノズルと対向し、かつ同軸に設けられた圧力遮断用の第２のノズルを有し、
上記第１のノズルの下流側の端面と上記第２のノズルの上流側の端面との間には間隙が形成され、
上記間隙の間隔は上記第１のノズルおよび上記第２のノズルの中心軸から放射方向に増大し、
上記第２のノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口から出てくる旋回流の中心部の低圧部を上記第２のノズルの下流側と遮断するように構成され、
上記第２のノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口に貫入していないことを特徴とする旋回流型マイクロバブル発生装置である。
【００１０】
この旋回流型マイクロバブル発生装置においては、第１のノズルの噴出口から噴出されたマイクロバブルは、第１のノズルの下流側の端面と第２のノズルの上流側の端面との間の間隙を通って外部に向かうように構成されている。気柱内圧力の極小化、言い換えると吸い込み圧力の極大化の観点からは、第１のノズルの下流側の端面の頂角をθVB、第２のノズルの上流側の端面の頂角をθSUとしたとき、θSU≦θVBであることが好ましく、Δθ≡θVB−θSU＝０°〜２０°であることがより好ましい。これに加えて、気柱内圧力の極小化、言い換えると吸い込み圧力の極大化の観点から、第１のノズルの下流側の端面における噴出口の直径をＤe 、第１のノズルおよび第２のノズルの中心軸上における第１のノズルと第２のノズルとの間隔をｔとしたとき、ｔがほぼＤe ／４であることが好ましい。第１のノズルの噴出口は典型的には円筒形状であり、この場合はこの円筒形状の噴出口の全長にわたって直径Ｄe は一定であるが、これに限定されるものではなく、必要に応じて、噴出口の長さ方向で直径Ｄe を変化させてもよい。
【００１１】
典型的には、第１のノズルおよび第２のノズルは、典型的には円筒形状の管（パイプ）の内部に収容されており、第１のノズルの噴出口から噴出されたマイクロバブルは上記の間隙を通り、さらに上記の管と第２のノズルの外周面にこの第２のノズルの中心軸に平行に設けられた複数の溝との間の空間を通って外部に放出されるように構成される。あるいは、第２のノズルの外周面に溝を形成する代わりに、この第２のノズルの内部のこの第２のノズルの外周面に近接する部分に、この第２のノズルの中心軸に平行な複数の孔を設けてもよい。あるいは、第１のノズルおよび第２のノズルは、管の内部に収容されており、第２のノズルは下流側にすぼまった形状を有し、かつ第２のノズルの内部には上記の管の内壁に隣接する部分の上記の間隙と第２のノズルの下流側の端面との間を連通し、かつ第２のノズルの下流側の端面で互いに合流する複数の孔が設けられており、上記の噴出口から噴出されたマイクロバブルは上記の間隙を通り、さらに第２のノズルの上記の複数の孔を通って外部に放出されるように構成される。これらの溝または孔のアスペクト比（長さ／内径）は１より大きいことが好ましい。
【００１２】
典型的には、第１のノズルは上流側から下流側に向かって順次縮流部および渦崩壊部を有する渦崩壊用ノズルである。ここで、渦崩壊とは、渦の構造が急激に変化する現象であり、スパイラル型（デルタ翼の場合などに発生する型）、バブル型（円管内流れの場合などに発生する型）の二つの顕著な型を有する。また、典型的には、第１のノズルの上流側に旋回流発生用の翼型の第３のノズルを有する。この場合、典型的には、この第３のノズルの上流側の入口に液体を供給することにより旋回流を発生させるとともに、この旋回流の中心に気体を導入し、この中心に気体が導入された旋回流を第１のノズルの縮流部に供給することにより渦崩壊部からマイクロバブルを発生させる。この第３のノズルは、典型的には、旋回流発生用翼体を円筒形状の管（パイプ）の内部に収容したもの（あるいは、旋回流発生用翼体の外側を管により覆ったもの）である。旋回流発生用翼体は、典型的には、円柱状の本体の一端部を流線形（典型的には、この本体の中心軸を回転軸とする回転体状（例えば、半球状））に成形し、本体の外周面の長手方向に複数の翼をそれらの後部が彎曲するように設け、この本体の他端部に気体の噴射孔を設けたものである。また、この旋回流発生用翼体は、典型的には、この本体の外周面に設けられた給気孔とこの本体の他端部に設けられた噴射孔とを有し、旋回流発生用翼体の翼の枚数は必要に応じて選ぶことができる。渦崩壊用ノズルにおいては、典型的には、縮流部は渦崩壊部に向かって断面積が徐々に減少しており（あるいは、縮流部は渦崩壊部に向かってすぼまっており）、渦崩壊部との境界部（あるいは接続部）において渦崩壊部と同一の断面形状を有する。好適には、渦崩壊部は円筒形状を有する第１の部分と出口に向かって広がった形状の第２の部分とを有し、第１の部分の内周面と第２の部分の端面とがなす角度をθ0 としたとき、０度＜θ0 ＜１８０度あるいは９０度＜θ0 ＜１８０度、例えば１００度程度である。渦崩壊部が円筒形状を有する第１の部分と出口に向かって広がった形状の第２の部分とを有する場合、第１の部分の内周面と第２の部分の端面とは滑らかに繋がっていることが望ましい。こうすることで、渦崩壊用ノズルの噴き出し面である第２の部分の端面に旋回流を付着させることができる。
【００１３】
マイクロバブルを発生させる液体は、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、水（温水を含む）、各種の有機溶剤（アルコール、アセトン、トルエンなど）、石油、ガソリンなどの液体燃料などである。
旋回流の中心に供給する気体は、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、空気、酸素、オゾン、水素、アルゴンなどである。
【００１４】
第２の発明は、
旋回流型マイクロバブル発生装置のマイクロバブルの噴出口を有するノズルの下流側の端面側にこのノズルと対向し、かつ同軸に設けられる圧力遮断用ノズルであって、
上記噴出口を有する上記ノズルの下流側の端面と上記圧力遮断用ノズルの上流側の端面との間には間隙が形成され、
上記間隙の間隔は上記噴出口を有する上記ノズルおよび上記圧力遮断用ノズルの中心軸から放射方向に増大し、
上記圧力遮断用ノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口から出てくる旋回流の中心部の低圧部を上記第２のノズルの下流側と遮断するように構成され、
上記圧力遮断用ノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口に貫入しないように構成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
この第２の発明において、マイクロバブルの噴出口を有するノズルおよび圧力遮断用ノズルは、それぞれ第１の発明における第１のノズルおよび第２のノズルに対応する。
この第２の発明においては、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、音波の発生に伴う騒音、水中放出時の放出流体の再吸い込み、旋回流中心における低圧部生成による溶解気体の再気泡化などを有効に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明の実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置について図面を参照しながら説明する。
まず、この実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の基礎となる旋回流型マイクロバブル発生装置について説明する（特許文献４参照。）。
第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置においては、マイクロバブルを発生させるために、パイプ中心部を閉塞させ円周方向の流速を大きくすることでパイプ内を流れる水などの液体から強い旋回流を発生するタービン翼型ノズルと、主流に比べて循環が卓越する流れを小さい流れに遷移させる渦崩壊用ノズルとを直列に配置する。
【００１８】
図１は第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置１の本体、図２〜図４はこの旋回流型マイクロバブル発生装置１のタービン翼型ノズルの翼体、図５はこのタービン翼型ノズルの翼体の一つの翼の展開図、図６はこのマイクロバブル発生装置１の渦崩壊用ノズル、図７はこの旋回流型マイクロバブル発生装置１の給気装置を示す。
【００１９】
図１〜図７に示すように、この旋回流型マイクロバブル発生装置１は、円筒状のパイプ２の内部に互いに同軸に直列結合されたタービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４を収容したものと給気装置５とからなる。タービン翼型ノズル３は、円柱状の本体３ａの前方ａを半球状に成形し、この本体３ａの外周面ｂの長手方向に複数の翼３ｂをそれらの後方ｃが彎曲するように設け、背面ｄに噴射孔３ｆを設けた翼体の外側をパイプ２により管状に覆ったものである。渦崩壊用ノズル４は、パイプ２の先端部ｅに配置されている。渦崩壊用ノズル４は、テーパー状に成形した縮流部４ａに管状の渦崩壊部４ｂを連接したものである。給気装置５は、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの圧力差を検出し、タービン翼型ノズル３に供給する気体５ｌ（図７参照）の量を調整するものである。パイプ２においては、入口２ａ、タービン翼型ノズル３、渦流部２ｂ、渦崩壊用ノズル４の順に液体６が流れる。パイプ２は既存の設備に接続できるように様々なサイズに対応可能である。
【００２０】
この旋回流型マイクロバブル発生装置１では、パイプ２の入口２ａに、マイクロバブルを発生させようとする水などの液体６を流し、タービン翼型ノズル３により水流などの液体流６ａを円周方向ｆに向けるとともに気柱６ｂを噴出させ、渦崩壊用ノズル４で縮流して渦崩壊させることを特徴とする。より詳細には、パイプ２の入口２ａから入った液体６は、タービン翼型ノズル３によって中心部が閉塞されるため、流速の増した液体流６ａとなる。液体流６ａは、タービン翼型ノズル３の外周面ｂに存在する溝３ｄに沿って流れ、タービン翼型ノズル３の円周方向ｆに向きを変えられることにより旋回流６ｃとなって渦流部２ｂを進む。渦流部２ｂでは、タービン翼型ノズル３の噴射孔３ｆから放出された気柱６ｂが旋回流６ｃとともに螺旋状に流れる。渦崩壊用ノズル４に入ると、旋回流６ｃは縮流され、循環に比べて流れが卓越することで渦崩壊が起きる。この渦崩壊により大きな気泡が細かく潰され、マイクロバブル６ｄとなって渦崩壊用ノズル４の出口から放出される。ここで、渦崩壊用ノズル４の最小断面、すなわち渦崩壊部４ｂの断面における旋回流６ｃの回転周波数ｆe は、縮流部４ａにおいて循環が保存されるとすると、渦流部２ｂにおける旋回流６ｃの回転周波数をｆ、パイプ２の内径をＤ、渦崩壊部４ｂの内径をＤe としたとき、ｆe ＝（Ｄ／Ｄe ）2 ｆとなる。
【００２１】
タービン翼型ノズル３は、水流などの液体流６ａを螺旋状の旋回流６ｃに変換するとともに気柱６ｂを放出する器具であり、パイプ２の内部に、本体３ａの外周面ｂ上に複数の翼３ｂを設けた翼体が固定されている。タービン翼型ノズル３は回転させる必要はなく、動力は不要である。なお、気柱６ｂとは、空気などの気体５ｌを勢い良く柱状に噴射させた気泡のことである。
本体３ａは円柱状（縦断面は長方形状）であり、前方ａは半球状部３ｃ（縦断面は半円状）と連接しており、背面ｄの中央に噴射孔３ｆを有する。
【００２２】
翼３ｂは、半球状部３ｃの頂部３ｕから本体３ａの背面端３ｖにかけて、本体３ａの外周面ｂ上を縦断するように設けた部材であり、液体流６ａの向きを本体３ａの円周方向ｆに変えるために、背面端３ｖに向かうにつれて湾曲している。半球状部３ｃにおける翼３ｂも全体としては半球状に成形される。ただし、半球状部３ｃにおける翼３ｂは必要に応じて省略することが可能である。翼３ｂは本体３ａから突起状に出ているため、隣り合う翼３ｂと翼３ｂとの間には溝３ｄが存在する。
【００２３】
半球状部３ｃは、パイプ２の入口２ａから入ってきた液体６がスムーズに溝３ｄに流れ込むように丸めてある箇所である。パイプ２は、タービン翼型ノズル３から放出される円周方向ｆの噴流から角運動量の大きな流体を生成するために必要である。
溝３ｄは、翼３ｂにより仕切られた液体６の流れる通路である。翼３ｂが湾曲していることから、水平方向（パイプ２の中心軸方向）に流れていた液体流６ａが、徐々に垂直方向に曲げられ、螺旋状の旋回流６ａとなってタービン翼型ノズル３から出ていく。
噴射孔３ｆは、マイクロバブルの基となる気柱６ｂを放出する孔である。気柱６ｂは、本体３ａの外周面ｂに設けられた給気孔３ｅから気体５ｌを供給することにより生成される。噴射孔３ｆから出た気柱６ｂは、旋回流６ｃとともに流れていく。
【００２４】
翼３ｂは、液体６の流れを等分に分割するため、同じ形状のものを等間隔に配置する。翼間隔３ｇは翼３ｂを配置する間隔であり、この場合、翼数が６枚であるので翼間隔３ｇは６０度であるが、これに限定されるものではない。
翼角３ｈは半球状部３ｃにおける翼３ｂの大きさを決めるもので、中心から一定の角度を持って延びていき、本体３ａに至ってからは、同じ幅を維持して延びる。なお、翼角３ｈは、大き過ぎると液体６の通り道が狭くなるので、例えば１５度程度が好ましいが、これに限定されるものではない。
液体６の通り道となる溝３ｄの溝深さ３ｎは溝３ｄの深さであり、翼３ｂの高さでもある。なお、溝深さ３ｎは、タービン翼型ノズル３のサイズにより適切な深さに調整することができる。
【００２５】
ノズル長３ｉはタービン翼型ノズル３の全体の長さであり、本体３ａの長さである翼長３ｋと半球状部３ｃの半径である外半径３ｌとの和に等しい。なお、タービン翼型ノズル３の大きさは、パイプ２の大きさが異なれば、適切な大きさも異なる。
ノズル径３ｊは、タービン翼型ノズル３の直径である。ノズル径３ｊは、翼３ｂの部分を含めた本体３ａの直径でもあり、また、本体３ａに連接することから、半球状部３ｃの直径でもある。
【００２６】
翼３ｂは後方ｃが湾曲しているため、翼３ｂ自体の長さは翼長３ｋよりも長くなる。また、半球状部３ｃにおける翼３ｂに関しては、翼長３ｋには含めないものとする。
外半径３ｌは半球状部３ｃの翼３ｂの部分を含めた全体の半径であり、半球状部３ｃの頂部３ｕから本体３ａまで垂直に下りた長さでもある。なお、隣り合う翼３ｂと翼３ｂとの間には溝３ｄが存在するため、外半径３ｌは、溝３ｄを埋めたものと考えた場合の半径を意味する。
【００２７】
内半径３ｍは、半球状部３ｃの翼３ｂを除いた本体３ａと連接される部分の半径である。内半径３ｍは、外半径３ｌとの差である溝深さ３ｎの分だけ出た位置から球状にしているため、内半径３ｍの頂部３ｕは外半径３ｌの頂部３ｕと一致する。
孔距離３ｏは、噴射孔３ｆのあるタービン翼型ノズル３の背面端３ｖから給気孔３ｅの位置までの距離であり、例えば、翼長３ｋの半分の位置が好ましいが、これに限定されるものではない。また、給気孔３ｅは、液体６が通らない翼３ｂ上に設けることが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００２８】
給気孔３ｅと噴射孔３ｆとはタービン翼型ノズル３の内部で繋がっており、タービン翼型ノズル３の外周面ｂに設けられた給気孔３ｅから供給された気体５ｌが、タービン翼型ノズル３の背面ｄの中央に設けられた噴射孔３ｆから放出される。
孔内径３ｐは、給気孔３ｅおよび噴射孔３ｆの直径である。孔内径３ｐの大きさは、噴射孔３ｆから出る気柱６ｂの量に影響を与えるため、適切なサイズに調整する必要があり、供給する気体５ｌの流量に応じて決められる。一例を挙げると、孔内径３ｐは２ｍｍ程度が好ましいが、これに限定されるものではない。
【００２９】
図５は、タービン翼型ノズル３の一つの翼３ｂの形状を示す展開図であり、翼３ｂを湾曲させた様子をグラフ上で示したものである。グラフの横軸は翼端（翼の先端）からの流れ方向にとった距離、縦軸は周方向の距離を示す。翼３ｂが描く曲線は、０から翼長３ｋまでの範囲に存在する。なお、距離３ｑは、翼端からの距離が０と翼長３ｋとの間の任意の値とし、距離３ｒは、翼端からの距離が翼長３ｋの場合の値とする。
【００３０】
勾配３ｓは距離３ｑにおける傾きであり、距離３ｑが０の場合は勾配３ｓも０度であるが、距離３ｑが増えるにつれて勾配３ｓも大きくなっていく。翼３ｂの勾配３ｓは、距離３ｑが０では液体流６ａが流れに沿うこと、距離３ｒでは液体流６ａを円周方向ｆに向かわせることが必要であるため付けたものである。勾配３ｓにより液体流６ａを旋回流６ｃにすることができるが、翼３ｂにより円周方向ｆの流れが主流方向の流れに比べて大きくなり、結果として渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂで渦崩壊を引き起こすためには、翼３ｂの終端における勾配３ｔが、およそ５５〜６０度より大きくなる必要がある。具体的には、例えば、翼３ｂが本体３ａの円周方向ｆとなす角度は５〜９度（あるいは５〜６度）、すなわち、距離３ｒにおける勾配３ｔは８１〜８５度（あるいは８４〜８５度）であることが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００３１】
渦崩壊用ノズル４は、旋回流６ｃとともにパイプ２の渦流部２ｂを流れてきた気柱６ｂを渦崩壊させてマイクロバブル６ｄを発生させる器具であり、パイプ２の端に一体的に連接する。渦崩壊用ノズル４は縮流部４ａと渦崩壊部４ｂとからなる。縮流部４ａは、テーパー状に細くなる管であり、広い側はパイプ２の渦流部２ｂに連接され、狭い側は渦崩壊部４ｂに連接される。縮流部４ａの細くなる角度（テーパー角）４ｅは、パイプ２などの大きさに依存し、必要に応じて選ばれる。この角度４ｅの一例を挙げると約２０度であるが、これに限定されるものではない。渦崩壊部４ｂは、パイプ２の渦流部２ｂよりも細い円筒状の管であり、一端は縮流部４ａの狭い側に連接され、他端が出口となる。渦崩壊部４ｂの内径４ｆもパイプ２の大きさなどに依存し、必要に応じて選ばれる。この内径４ｆは例えば０．５〜１．５ｃｍであるが、これに限定されるものではない。
【００３２】
パイプ２内を流れる液体６は、渦流部２ｂから縮流部４ａの広い側に入り、縮流部４ａの径が細くなっていくことで流速を増しながら渦崩壊部４ｂへと至る。液体６とともに流れてきた気柱６ｂは、渦崩壊部４ｂにおいて細かくされ、マイクロバブル６ｄとして渦崩壊用ノズル４の出口から放出される。
渦崩壊用ノズル４の渦崩壊が発生するノズル径の最小値、すなわち臨界ノズル径は次のようにして求められる。
【００３３】
詳細は省略するが、タービン翼型ノズル３の翼３ｂによって生成される旋回流６ｃの回転周波数ｆはCassidy et. al., J. Fluid Mech., V.41, pp.727-736, 1970 による方法により求められ、ｆとｆe との間にはｆe ＝（Ｄ／Ｄe ）2 ｆの関係が成り立つから、
【数１】
と表される。ここで、Ｒ＝Ｄ／２（＝図４に示す外半径３ｌ）、Ｑはパイプ２に供給される液体６の流量、ρは液体６の密度、ε＝ｒe ／Ｒ（ただし、ｒe ＝Ｄe ／２）、δ＝ｈ／Ｒ（ｈは図４に示す溝深さ３ｎと等しい）、κ＝Ｎv Δθ／２π（ただし、Ｎv は翼３ｂの枚数、Δθ（rad.）は溝３ｄの角度（溝角））、θf は図５に示す勾配３ｔと等しく、α0 、α1 は定数でα0 ＝０．４、α1 ＝１である。
【００３４】
渦崩壊用ノズル４の縮流部４ａにおけるサーキュレーション数Γe は
【数２】
である。ただし、ｕe は渦崩壊用ノズル４の出口における流速、ωe は渦崩壊部４ｂの断面における旋回流６ｃの回転角周波数である。この（２）式に（１）式のｆe を代入すると、Γe は
【数３】
と求められる（Cassidy et. al., J. Fluid Mech., V.41, pp.727-736, 1970 を参照。)
。
【００３５】
図８に、ε＝１．５／４．０であるときの渦崩壊前のサーキュレーション数Γe のθf に対する変化をδを０．４／２、０．９／２と変えて求めた結果を示す。ただし、図８におけるΓcrは臨界サーキュレーション数でΓcr＝２．０である（本旋回流型マイクロバブル発生装置ではΓcr≒２．０、より一般的な旋回流発生装置の場合の平均的な値はΓcr≒１／０．６５（例えば、Spall et. al., Phys. Fluid, 30(11), pp.3434-3440, 1987）。図８に示すように、溝３ｄの深さ、すなわち溝深さ３ｎ＝ｈが大きくなるにしたがって、軸方向運動量に対する円周方向の運動量が相対的に小さくなり、結果として溝深さ３ｎ＝ｈ、したがってδが大きいほどサーキュレーション数Γe は減少する。このため、溝深さ３ｎ＝ｈが大きくなると渦崩壊は起こりにくくなる。
【００３６】
溝深さ３ｎ＝ｈおよびθf を与えたとき、渦崩壊が発生するノズル半径の最小値、すなわち臨界ノズル半径εcr（臨界半径をｒecr とするとεcr＝ｒecr ／Ｒ）は、Γe ＝Γcrとおくことにより下記のように得られる。したがって、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４をε＞εcrを満たすように設計することにより、渦崩壊用ノズル４で渦崩壊を起こさせることができる。
【数４】
【００３７】
図９に、渦崩壊の閾値をΓcr＝２．０としたときの渦崩壊用ノズル４のε＝ｒe ／Ｒのδ＝ｈ／Ｒに対する変化を、θf を５０度、６０度、７０度、８０度、８４度と変えて求めた結果を示す。ただし、κ＝３／４とした。図９中の○、×はそれぞれ、θf ＝８４度として実験を行ったときに渦崩壊が生じた場合、生じなかった場合を示す。詳細は省略するが、旋回流６ｃによる分級効果によって、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂで放出されるマイクロバブル６ｄの径ｄは
【数５】
と表される。ただし、νw は液体６の動粘性率である。この式においてΓe ＝Ｏ（１）であるから、νw が小さく、ｆe が大きいほど微細なマイクロバブル６ｄが生成されることが分かる。
【００３８】
パイプ２に液体６を供給するために用いるポンプのパワーを一定としたとき、ｆe は
【数６】
となる。したがって、ｆe を大きくすることでマイクロバブル６ｄを生成するには高揚程ポンプ（Ｒが小さい）が有利である。
【００３９】
給気装置５は、旋回流型マイクロバブル発生装置１に気体５ｌを供給する装置であり、タービン翼型ノズル３の給気孔３ｅに連結され、噴射孔３ｆから気柱６ｂを放出する。圧力検出器４ｃおよび圧力検出器４ｄは渦崩壊部４ｂ内の圧力を検出する器具であり、圧力検出器４ｃは縮流部４ａに連接する側に設けられ、圧力検出器４ｄは出口側に設けられている。これらの圧力検出器４ｃおよび圧力検出器４ｄにより圧力差を検知し、気体５ｌの供給量を自動的に調節する。
【００４０】
給気装置５は、シリンダ５ａおよびピストン５ｂなどの部材から構成される。この給気装置５とタービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４との接続は、給気孔３ｅと通気孔５ｆ、圧力検出器４ｃと高圧力部５ｊ、圧力検出器４ｄと低圧力部５ｋとを繋ぐことで行う。シリンダ５ａは給気装置５の外枠であり、内部に中空部分を有するほぼ円柱状の形状である。なお、シリンダ５ａのサイズの一例を挙げると、長さ約７．０ｃｍ、直径約２．６ｃｍであるが、これに限定されるものではない。
【００４１】
シリンダ５ａの先頭側には、シリンダ５ａの側面を貫通する通気孔５ｆがあり、この通気孔５ｆの一端は、給気管５ｉにより給気孔３ｅに接続され、他端は、開放することで気体５ｌを取り込むが、特別な気体を使用する場合にはボンベなどを接続する。
また、シリンダ５ａ内の中空部分は、ピストン５ｂおよびダイアフラム５ｍにより高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとに分けられる。先頭側の高圧力部５ｊは、圧力検出器４ｃで検知した圧力となり、背後側の低圧力部５ｋは、圧力検出器４ｄで検知した圧力となる。
なお、高圧力部５ｊおよび低圧力部５ｋには、それぞれ空気孔５ｇおよび空気孔５ｈが設けられる。空気孔５ｇおよび空気孔５ｈは、通常は閉じておくが、開放することにより内部の空気を抜くことができる。
【００４２】
ピストン５ｂは、シリンダ５ａの内部を往復移動する部材であり、可動部５ｃ、バネ５ｄおよびストッパー５ｅなどからなる。ピストン５ｂが移動することにより、給気孔３ｅへ供給する気体５ｌの量を調節する。可動部５ｃは、シリンダ５ａ内を前後に動く部分であり、給気孔３ｅの開閉を行う杭状の前半部と、シリンダ５ａ内の高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとを仕切る円柱状の後半部とからなる。可動部５ｃが最も前に移動した場合は、先端が通気孔５ｆを突き抜けて気体５ｌが通らないように塞いでしまい、可動部５ｃが最も後に移動した場合は、先端が通気孔５ｆから離れて気体５ｌを通す。
【００４３】
バネ５ｄは、伸び縮みすることで可動部５ｃの移動を制御するもので、高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとの圧力差と連動して可動部５ｃの位置を調整する。高圧力部５ｊの圧力が増せばバネ５ｄが縮んで可動部５ｃを後方に移動させ、低圧力部５ｋの圧力が増せばバネ５ｄが伸びて可動部５ｃを前方に移動させる。
ストッパー５ｅは、ピストン５ｂの端をシリンダ５ａの後背部に固定することで、ピストン５ｂを支えている部材である。ストッパー５ｅで押さえることで、ピストン５ｂがシリンダ５ａ内で安定し、バネ５ｄの伸縮も有効に働き、可動部５ｃを移動させることができる。
可動部５ｃとストッパー５ｅとはバネ５ｄにより接続されるが、バネ５ｄの内側で可動部５ｃとストッパー５ｅとをスライド構造にすることにより、バネ５ｄの部分の安定性を保つとともに、可動範囲を制御する。
【００４４】
給気装置５は、高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとの圧力差を利用してピストン５ｂを移動させることにより、気体５ｌの供給を制御する。高圧力部５ｊおよび低圧力部５ｋは、圧力検出器４ｃおよび圧力検出器４ｄと管５ｎ、５ｏで接続され、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの圧力を反映させる。具体的には、圧力検出器４ｃと圧力検出器４ｄとの間の部分の渦崩壊部４ｂで渦崩壊が発生しているときは、圧力検出器４ｃと圧力検出器４ｄとの圧力差が増大し、高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとの圧力差がバネ５ｄの反力よりも大きくなると、ピストン５ｂが右に移動して通気孔５ｆが開く。
【００４５】
なお、圧力検出器４ｃと圧力検出器４ｄとの間の部分の渦崩壊部４ｂで渦崩壊が発生しない場合は、給気孔３ｅへの給気量が多く、圧力検出器４ｃと圧力検出器４ｄとの圧力差が小さい場合であり、給気量を制御するために、高圧力部５ｊと低圧力部５ｋとの圧力が均衡した際のピストン５ｂの位置を、通気孔５ｆが閉まる位置にしておく。
【００４６】
図１０ＡおよびＢは渦崩壊用ノズル４での渦崩壊を示す図であり、渦崩壊ありの場合（図１０Ａ）の渦崩壊用ノズル４および渦崩壊なしの場合（図１０Ｂ）の渦崩壊用ノズル４の状態を示したものであ。図１０Ａに示すように、渦崩壊ありの場合には、縮流部４ａから来た気柱６ｂは、渦崩壊部４ｂの中間付近で渦崩壊し、マイクロバブル６ｄとなって出て行くため、渦崩壊部４ｂの出口における圧力は、渦崩壊部４ｂの入口における圧力よりも小さくなる。
圧力検出器４ｃにより渦崩壊部４ｂの入口の圧力を検出し、圧力検出器４ｄにより渦崩壊部４ｂの出口の圧力を検出して、渦崩壊部４ｂ内に圧力差があれば、正常に渦崩壊が起きており、このまま給気を行う。
【００４７】
渦崩壊なしの場合（図１０Ｂ）には、縮流部４ａから来た気柱６ｂは、渦崩壊部４ｂ内では渦崩壊せず、マイクロバブル６ｄとならないため、渦崩壊部４ｂの出口における圧力は、渦崩壊部４ｂの入口における圧力とほとんど変わらない。このとき、圧力検出器４ｃにより渦崩壊部４ｂの入口の圧力を検出し、圧力検出器４ｄにより渦崩壊部４ｂの出口の圧力を検出して、渦崩壊部４ｂ内に圧力差がなければ、給気を抑制し、渦崩壊が起きるように調整する。
このように、給気量が適正でなければ、気柱６ｂは渦崩壊せずマイクロバブル６ｄが得られないので、この第１の実施形態では、渦崩壊しているかどうかを渦崩壊部４ｂの圧力差によって確認し、さらに上述のようにこの圧力差を利用して自動的に給気量を調整することができる。
【００４８】
次に、気体５ｌの給気量（気体流量）Ｑa とマイクロバブル６ｄの径ｄとの関係について説明する。
渦崩壊用ノズル４の前面に張り付いた気柱６ｂが受ける剪断によって発生する気泡径を Hinzeスケール（圧力による分断作用と表面張力とが釣り合った平衡状態における径ｄH ）に従って算定すると図１１に示すようになる。詳細は省略するが、マイクロバブル６ｄが HinzeスケールｄH まで微粒化されるときの気体５ｌの給気量Ｑa は
【数７】
で与えられる。ここで、ｄ0 は次の式 (８) 〜（10）から算定される。
【数８】
【数９】
【数１０】
ただし、
【数１１】
である。ここで、γは気体５ｌと液体６との界面張力係数である。
【００４９】
図１２、図１３および図１４は、Γe がそれぞれ＝２、３および４のときの給気量Ｑa を示す。
Hinzeスケールのマイクロバブル６ｄを生成するときの給気量Ｑa と液体６の流量Ｑw との比は次式で表される。
【数１２】
【００５０】
図１５、図１６および図１７は、Γe がそれぞれ２、３および４のときの給気量Ｑa と液体６の流量Ｑw との比をプロットしたものである。図１５、図１６および図１７より、ｆe ＞１００Ｈｚおよびｒe ＜２ｃｍの範囲内では、Ｑa ／Ｑw はｆe およびｒe にあまり依存しない。このときのＱa ／Ｑw を漸近的に計算すると次式のようになる。
【数１３】
この式はΓe 〜２．５の実験における値Ｑa ／Ｑw 〜０．００５により検証されている（山田ら、流体力学会年会２００５、ＡＭ０５−２４−００２）。
【００５１】
渦崩壊用ノズル４の出口のエッジでは旋回流６ｃの剥がれによって音が発生するが、この音は、例えば、このエッジに微細な繊維（例えば、綿状のもの）を貼ったり、渦崩壊用ノズル４の縮流部４ａの入り口にその直径方向に針金（例えば、数ｍｍ径のもの）を張り渡して上流の気柱６ｂを乱したりすることで消音することが可能である。
タービン翼型ノズル３の具体例について説明する。図１８は、タービン翼型ノズル３の具体例１〜３を示し、タービン翼型ノズル３の形状を示す。翼３ｂの枚数を６枚とし、翼３ｂを等間隔に配置することから翼間隔３ｇは６０度となり、翼角３ｈを１５度とすること、勾配３ｓを８４度とすることは具体例１〜３で共通する。
【００５２】
具体例１は、半球状部３ｃの外半径３ｌを０．８５ｃｍ、翼長３ｋを２．０３ｃｍ、溝深さ３ｎを０．３ｃｍにした場合である。ノズル長３ｉは、翼長３ｋと外半径３ｌとの合計であることから２．８８ｃｍであり、内半径３ｍは、外半径３ｌより溝深さ３ｎの分小さいことから０．５５ｃｍとなる。本体３ａの円周は、外半径３ｌが０．８５ｃｍであることから５．３４ｃｍとなるので、翼幅は、翼角３ｈが１５度であることから０．２２ｃｍとなり、溝幅は、翼間隔３ｇが６０度であることから０．８９ｃｍとなる。翼３ｂの円周角は、６７．４×（−０．０３６９＋０．７８０／（２．１１−位置））の式で表現することができる。なお、位置は翼端からの距離であり、０から翼長３ｋの範囲の値である。例えば、位置が０の場合、翼３ｂの円周角は０度となり、位置が翼長３ｋの場合、翼３ｂの円周角は６３．２度となる。
【００５３】
具体例２は、半球状部３ｃの外半径３ｌを１．６ｃｍ、翼長３ｋを３．８２ｃｍ、溝深さ３ｎを０．５ｃｍにした場合である。ノズル長３ｉは、翼長３ｋと外半径３ｌとの合計であることから５．４２ｃｍであり、内半径３ｍは、外半径３ｌより溝深さ３ｎの分小さいことから１．１ｃｍとなる。本体３ａの円周は、外半径３ｌが１．６ｃｍであることから１０．０５ｃｍとなるので、翼幅は、翼角３ｈが１５度であることから０．４２ｃｍとなり、溝幅は、翼間隔３ｇが６０度であることから１．６８ｃｍとなる。翼３ｂの円周角は、３５．８×（−０．０６９５＋０．２７６／（３．９８−位置））の式で表現することができる。なお、位置は翼端からの距離であり、０から翼長３ｋの範囲の値である。例えば、位置が０の場合、翼３ｂの円周角は０度となり、位置が翼長３ｋの場合、翼３ｂの円周角は５９．３度となる。
【００５４】
具体例３は、半球状部３ｃの外半径３ｌを２．１ｃｍ、翼長３ｋを５．００ｃｍ、溝深さ３ｎを０．５ｃｍにした場合である。ノズル長３ｉは、翼長３ｋと外半径３ｌとの合計であることから７．１０ｃｍであり、内半径３ｍは、外半径３ｌより溝深さ３ｎの分小さいことから１．６ｃｍとなる。本体３ａの円周は、外半径３ｌが２．１ｃｍであることから１３．１９ｃｍとなるので、翼幅は、翼角３ｈが１５度であることから０．５５ｃｍとなり、溝幅は、翼間隔３ｇが６０度であることから２．２０ｃｍとなる。翼３ｂの円周角は、２７．３×（−０．０９１２＋０．４７６／（５．２２−位置））の式で表すことができる。なお、位置は翼端からの距離であり、０から翼長３ｋの範囲の値である。例えば、位置が０の場合、翼３ｂの円周角は−３．３度となり、位置が翼長３ｋの場合、翼３ｂの円周角は５６．６度となる。
【００５５】
図１９Ａ、ＢおよびＣは、タービン翼型ノズル３の形状、渦崩壊用ノズル４の形状およびタービン翼型ノズル３から渦崩壊用ノズル４までの間隔の具体例４〜６を示す。タービン翼型ノズル３については、具体例４では具体例１と同様、具体例５では具体例２と同様、具体例６では具体例３と同様である。
具体例４（図１９Ａ）は、タービン翼型ノズル３の外半径３ｌが約０．８５ｃｍの場合であり、タービン翼型ノズル３のノズル長は２．８８ｃｍである。タービン翼型ノズル３はパイプ２にぴったり収まることから、パイプ２の内径も約０．８５ｃｍとなり、渦崩壊用ノズル４の入口側の径も同様に約０．８５ｃｍとなる。タービン翼型ノズル３から渦崩壊用ノズル４までの間である渦流部２ｂの長さを約１．７ｃｍとし、渦崩壊用ノズル４の長さを約２．６ｃｍとすると、タービン翼型ノズル３、渦流部２ｂおよび渦崩壊用ノズル４の全体の長さは約７．１８ｃｍとなる。なお、渦崩壊用ノズル４の形状は、縮流部４ａにおける角度４ｅを２０度、出口側の内径４ｆを０．５ｃｍとすると、入口側の径が０．８５ｃｍであることから、渦崩壊部４ｂなどの長さが定まる。
【００５６】
具体例５（図１９Ｂ）は、タービン翼型ノズル３の外半径３ｌが約１．６ｃｍの場合であり、タービン翼型ノズル３のノズル長は５．４２ｃｍである。タービン翼型ノズル３はパイプ２にぴったり収まることから、パイプ２の内径も約１．６ｃｍとなり、渦崩壊用ノズル４の入口側の径も同様に約１．６ｃｍとなる。タービン翼型ノズル３から渦崩壊用ノズル４までの間である渦流部２ｂの長さを約３．２ｃｍとし、渦崩壊用ノズル４の長さを約５．０ｃｍとすると、タービン翼型ノズル３、渦流部２ｂおよび渦崩壊用ノズル４の全体の長さは約１３．６２ｃｍとなる。なお、渦崩壊用ノズル４の形状は、縮流部４ａにおける角度４ｅを２０度、出口側の内径４ｆを１．０ｃｍとすると、入口側の径が約１．６ｃｍであることから、渦崩壊部４ｂなどの長さが定まる。
【００５７】
具体例６（図１９Ｃ）は、タービン翼型ノズル３の外半径３ｌが約２．１ｃｍの場合であり、タービン翼型ノズル３のノズル長は７．１０ｃｍである。タービン翼型ノズル３はパイプ２にぴったり収まることから、パイプ２の内径も約２．１ｃｍとなり、渦崩壊用ノズル４の入口側の径も同様に約２．１ｃｍとなる。タービン翼型ノズル３から渦崩壊用ノズル４までの間である渦流部２ｂの長さを約４．２ｃｍとし、渦崩壊用ノズル４の長さを約７．０ｃｍとすると、タービン翼型ノズル３、渦流部２ｂおよび渦崩壊用ノズル４の全体の長さは約１８．３ｃｍとなる。なお、渦崩壊用ノズル４の形状は、縮流部４ａにおける角度４ｅを２０度、出口側の内径４ｆを１．５ｃｍとすると、入口側の径が約２．１ｃｍであることから、渦崩壊部４ｂなどの長さが定まる。
具体例４〜６におけるパイプ２の寸法は、マイクロバブル６ｄを発生させるのに好ましい数値の例であり、パイプ２の大きさに応じて、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４の大きさも調整する必要がある。
【００５８】
以上のように、この第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置１では、その構成要素であるタービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４が直線的に配列しているため、装置の小型化および大型化とも可能であり、現有設備に容易に直結することができる。また、タービン翼型ノズル３の給気孔３ｅへの気体５ｌの給気を給気装置５により行っているため、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂにおける圧力変動に応じて給気量を自動的に調節することができ、渦崩壊を安定的に起こさせてマイクロバブル６ｄを発生させることができる。また、マイクロバブル６ｄの発生メカニズムが明瞭なため、パイプ２への液体６の供給に用いるポンプの性能に応じてマイクロバブル発生装置１の設計を容易に行うことができる。
【００５９】
次に、第２の例による旋回流型マイクロバブル発生装置について説明する。
図２０に示すように、この旋回流型マイクロバブル発生装置１においては、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの先端にテーパー部４ｈを設けて、出口をテーパー状に広げたことを特徴とする。すなわち、第１の例によるマイクロバブル発生装置１の渦崩壊用ノズル４では、渦崩壊部４ｂの先端である出口の角度４ｉが０度であるのに対し、この第２の例によるマイクロバブル発生装置１の渦崩壊用ノズル４では、渦崩壊部４ｂの出口の角度（テーパー角）４ｉを十分に大きくしたテーパー部４ｈを設けている。この角度４ｉは、具体的には、例えば６０度または８０度程度にするが、これに限定されるものではない。
【００６０】
第１の例の渦崩壊用ノズル４の場合は、渦流部２ｂで旋回流６ｃの中心付近に生じた気柱６ｂが、縮流部４ａで流速が増され、渦崩壊部４ｂで細かく潰されることにより、マイクロバブル６ｄが発生するのに対して、この第２の例の渦崩壊用ノズル４の場合は、気柱６ｂは渦崩壊部４ｂを通過し、テーパー部４ｈにおいて、コアンダ効果により気泡となって張り付く。テーパー部４ｈに張り付いた気泡は、渦流部２ｂから続く旋回流６ｃにより剪断または破砕され、マイクロバブル６ｄが発生する。このようにテーパー部４ｈに張り付くことにより、気泡が剪断を受ける時間が長くなり、気泡の微粒化が促進される。
なお、コアンダ効果とは、流れの中に物体を置いたときに、置いた物体に沿って流れの向きが変わる流体の性質のことで、旋回流６ｃが渦崩壊部４ｂからテーパー部４ｈに入ってテーパー状に広がることで気柱６ｂも広がり、気泡がテーパー部４ｈに張り付く。
【００６１】
この第２の例の渦崩壊用ノズル４の寸法は、縮流部４ａの入口の内径（＝パイプ２の内径２ｄ）、縮流部４ａの角度４ｅおよび渦崩壊部４ｂの内径４ｆは、第１の例の渦崩壊用ノズル４と同様であるが、円筒状の渦崩壊部４ｂの長さ４ｇについては、内径４ｆと同程度である。
図２１Ａ、ＢおよびＣは、渦崩壊部４ｂの形状を変えた場合の旋回流型マイクロバブル発生装置１のマイクロバブル６ｄの発生状況を比較した図である。
【００６２】
図２１Ａに示すように、第１の例の渦崩壊用ノズル４の場合、パイプ２の渦流部２ｂから縮流部４ａに流れてきた気柱６ｂは、渦崩壊部４ｂにおいて渦崩壊してマイクロバブル６ｄが発生するが、直線状の狭い範囲にしか広がらない。
図２１Ｂに示す渦崩壊用ノズル４は、渦崩壊部４ｂの全体をテーパー部とした場合であるが、このテーパー部において発生したマイクロバブル６ｄは、図２１Ａの場合に比べて僅かに範囲が広がる程度である。
図２１Ｃに示す渦崩壊用ノズル４の場合、テーパー部４ｈに張り付いた気泡を剪断または破砕することによりマイクロバブル６ｄが発生するので、マイクロバブル６ｄはテーパー状に非常に広い範囲に広がる。
【００６３】
図２２ＡおよびＢは二種類の渦崩壊の様子を示す。いずれも渦崩壊用ノズル４の出口のテーパー部４ｈの急拡部の存在により渦は不安定となり渦崩壊が生じるが、図２２Ａに示す渦崩壊では、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの最小断面で流れが超臨界（supercritical)となり擾乱が上流に伝播できないのに対し、図２２Ｂに示す渦崩壊では、渦崩壊用ノズル４の全領域で亜臨界（subcritical)となり擾乱は上流に伝播する。
【００６４】
この第２の例によれば、第１の例と同様な利点に加えて、次のような利点を得ることができる。すなわち、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの先端にテーパー部４ｈが設けられていることにより、旋回流６ｃはこのテーパー部４ｈに張り付く。このため、マイクロバブル６ｄの発生効率の向上を図ることができるとともに、テーパー部４ｈの角度４ｉの選定によりマイクロバブル６ｄの噴き出し方向の制御を容易に行うことができる。
【００６５】
次に、第３の例による旋回流型マイクロバブル発生装置１について説明する。
図２３に示すように、この旋回流型マイクロバブル発生装置１は、第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置１と比べて、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４と給気装置５との接続方法が異なる。具体的には、この旋回流型マイクロバブル発生装置１においては、給気装置５の通気孔５ｆとタービン翼型ノズル３の給気孔３ｅとを、給気装置５の高圧力部５ｊと渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの入口側の圧力検出器４ｃとを接続し、給気装置５の低圧力部５ｋと渦崩壊用ノズル４の外側に設けた圧力検出器４ｄとを接続して給気を自動化したことを特徴とする。圧力検出器４ｃは、渦崩壊用ノズル４において内部を通過する気柱６ｂの圧力を検出し、圧力検出器４ｄは、パイプ２の外部でマイクロバブル６ｄの圧力を検出する。
なお、給気装置５の通気孔５ｆの一端とタービン翼型ノズル３の給気孔３ｅとを給気管５ｉで繋ぐことは第１の例と同様である。また、通気孔５ｆの他端は開放して気体５１を取り込むが、特別な気体を使用する場合にはボンベなどを接続する。
【００６６】
次に、第４の例による旋回流型マイクロバブル発生装置１について説明する。
図２４に示すように、この旋回流型マイクロバブル発生装置１は、第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置１と比べて、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４と給気装置５との接続方法が異なる。具体的には、この旋回流型マイクロバブル発生装置１においては、給気装置５の高圧力部５ｊは、渦崩壊用ノズル４の出口周辺の静水圧に開放した圧力検出器４ｄに接続し、給気装置５の低圧力部５ｋは、タービン翼型ノズル３の給気孔３ｅに設けた圧力検出器４ｃと接続して給気を自動化したことを特徴とする。圧力検出器４ｃは、タービン翼型ノズル３において発生する気柱６ｂの圧力を検出し、圧力検出器４ｄは、パイプ２の外部でマイクロバブル６ｄの圧力を検出する。この旋回流型マイクロバブル発生装置１の接続方法は、渦崩壊用ノズル４に圧力検出器を設置する必要がなく簡便である。
【００６７】
圧力検出器４ｃで検出した内部の気柱６ｂの圧力と圧力検出器４ｄで検出した外部のマイクロバブル６ｂの圧力との圧力差が大きいときは、マイクロバブル６ｂが効率よく発生している状態であり、圧力差が小さいときは、空気量が多過ぎてマイクロバブル６ｄの発生が少ない状態である。
内部の気柱６ｂの圧力と外部のマイクロバブル６ｂの圧力との圧力差が大きい場合は、給気装置５のピストン５ｂを右に移動させて通気孔５ｆを開放し、給気孔３ｅに気体５１を供給する。
逆に、内部の気柱６ｂの圧力と外部のマイクロバブル６ｄの圧力との圧力差が小さい場合は、給気装置５のピストン５ｂを左に移動させて通気孔５ｆを塞いでいき、給気孔３ｅに供給する気体５ｌの量を抑制する。
【００６８】
次に、第５の例による旋回流型マイクロバブル発生装置１について説明する。
図２５に示すように、この旋回流型マイクロバブル発生装置１は、パイプ２を入口２ａの内径２ｄを細くした拡大管１１に替えたことが第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置１と異なる。拡大管１１は、入口２ａ側の細管部１１ａの内径１１ｄが小さく、タービン翼型ノズル３および渦崩壊用ノズル４のある太管部１１ｃの内径１１ｅが大きい形状を有する。
【００６９】
細管部１１ａから太管部１１ｃに至る拡大部１１ｂについては、図２５に示す二つの点線の円のように、円弧状に滑らかに内径が拡大していき、拡大部１１ｂの後部は、タービン翼型ノズル３の半球状部３ｃに沿う形となっている。拡大部１１ｂを滑らかに広げることにより、拡大管１１に液体６が流れる際に、流水断面積が急増加しないので、タービン翼型ノズル３で液体流６ａを拡大管１１の軸方向から円周方向ｆに効果的に変換することができる。
この旋回流型マイクロバブル発生装置１においては、送水ポンプなどの送液ポンプなどから拡大管１１の入口２ａに供給された直線的な液体流６ａが効率的に螺旋状の旋回流６ｃに変換され、また、タービン翼型ノズル３による縮流の影響も小さくなり、エネルギー損失が減少する。
この第５の例によれば、第１の例と同様な利点に加えて、マイクロバブル６ｄの発生効率の向上を図ることができるという利点を得ることができる。
【００７０】
次に、第７の例による旋回流型マイクロバブル発生装置について説明する。
図２６および図２７はそれぞれ、旋回流型マイクロバブル発生装置１のマイクロバブル６ｄの発生状況を確認するために計測した音波のスペクトルおよび画像のスペクトルを示す。これは、渦崩壊が生じるときに発生する音（vortex whistle) を測定することで、旋回流６ｃの回転周波数を予測することができることを示したものである。
【００７１】
図２６に示す音波のスペクトルは、液中を伝搬する音を受信することができるハイドロホーンにより旋回流６ｃが発する音の振動数を測定したグラフであり、図２７に示す画像のスペクトルは、高速ビデオ映像により旋回流６ｃの回転周波数を測定したグラフである。ただし、タービン翼型ノズル３のノズル径３ｊは４ｃｍ、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの内径４ｆは１ｃｍ、液体６として用いた水の流量は７００ｃｃ／ｓである。
【００７２】
図２６および図２７に示すように、音波のスペクトルにおける振動数と画像のスペクトルにおける周波数とは、ともに約４６０Ｈｚにおいてパワースペクトルの値に特徴が見られる。また、図２６に示す音波のスペクトルにおいて、約４６０Ｈｚの右隣の５２０Ｈｚ付近に現れるピークがマイクロバブル６ｄの発生状況を示している。なお、パワースペクトルとは、振動する量の二乗平均値を振動数成分の分布として表したものである。
【００７３】
この第６の例によれば、マイクロバブル６ｄが効率良く発生しているかどうかを直接マイクロバブル６ｄの映像を観ることなく、水中音を測定することで確認することができるため、第１〜第５の例のように渦崩壊用ノズル４の圧力を検出するのではなく、給気孔３ｅへの気体５ｌの給気量を音波の計測のみで調整することが可能となる。また、液体６が不透明である場合にも、マイクロバブル６ｄの発生状況を容易に把握することができる。
【００７４】
次に、第７の例による旋回流型マイクロバブル発生装置について説明する。
この旋回流型マイクロバブル発生装置１においては、渦崩壊用ノズル４の出口のエッジを滑らかにすることを特徴とする。
図２８Ａは渦崩壊用ノズル４、図２８Ｂはこの渦崩壊用ノズル４の出口のエッジ４ｋの拡大図である。
【００７５】
渦崩壊用ノズル４の出口のエッジ４ｋを滑らかにすることにより、気柱６ｂが渦崩壊用ノズル４の前面に張り付き（コアンダ効果）、その旋回流６ｃによる剪断で気柱６ｂが破砕され、マイクロバブル６ｄが発生する。また、マイクロバブル６ｄは渦崩壊用ノズル４の前面の広い範囲に分散する。気柱６ｂが渦崩壊用ノズル４の前面に張り付くには、旋回流６ｃによる遠心力が主流方向の遠心力より大きくなる必要がある。このため、エッジ４ｋの曲率半径をρe とすると、
ρe 〜（ｕe ／ｖe ）2 ｒe ＝Γe -2ｒe (14)
以上とする必要がある。ただし、ｖe は渦崩壊用ノズル４の出口における旋回流６ｃの周方向速度である。すなわち、
ρe ≧Γe -2ｒe (15)
とする。
渦崩壊用ノズル４の管状の渦崩壊部４ｂとテーパー部４ｈの前面とのなす角度θ0 は、渦崩壊用ノズル４の出口からのマイクロバブル６ｄの噴き出し方向を決定する。
【００７６】
図２９は超臨界渦崩壊の場合を示し、Γe 〜Γcrである。また、図３０は亜臨界渦崩壊の場合を示し、Γe ＞Γcrである。
図３１Ａ、ＢおよびＣはそれぞれ、θ0 〜１００度、θ0 〜９０度、θ0 〜４５度の場合であり、いずれの例でも渦崩壊用ノズル４の出口のエッジ４ｋの曲率により旋回流６ｃが渦崩壊用ノズル４の前面に付着し、この前面の接線方向に流れる。
【００７７】
以上の旋回流型マイクロバブル発生装置１を基礎としてこの発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置について説明する。この旋回流型マイクロバブル発生装置においては、旋回流型マイクロバブル発生装置１と同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図３２Ａ、ＢおよびＣは、この一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置における圧力遮断用ノズルの三つの設置形態を示す。
【００７８】
図３２Ａに示す設置形態（タイプＡ）においては、旋回流型マイクロバブル発生装置１の渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの下流側の端面Ｐ１側に、この渦崩壊用ノズル４と同軸に、かつ渦崩壊部４ｂと対向して圧力遮断用ノズル２１が設置される。この場合、渦崩壊用ノズル４の外形は円柱形状を有する。圧力遮断用ノズル２１の外形も円柱形状を有し、渦崩壊部４ｂの外周の直径と同じ直径を有する。渦崩壊部４ｂは円柱形状の、マイクロバブル６ｄの噴出口Ｑを有する。渦崩壊部４ｂの下流側の端面Ｐ１と圧力遮断用ノズル２１の上流側の端面Ｐ２との間には間隙２２が形成されている。この間隙２２の間隔は渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１の中心軸から放射方向に直線的に徐々に増加している。圧力遮断用ノズル２１のうちの噴出口Ｑと対向する部分は、この噴出口Ｑから出てくる旋回流の中心部の低圧部をこの圧力遮断用ノズル２１の下流側と遮断するように構成されている。言い換えると、この場合、圧力遮断用ノズル２１のうちの噴出口Ｑと対向する部分には貫通孔が設けられていない。また、この圧力遮断用ノズル２１のうちの噴出口Ｑと対向する部分は渦崩壊部４ｂ、より詳細には噴出口Ｑに貫入していない。この場合、渦崩壊部４ｂの噴出口Ｑから気液混相流（例えば、水と空気などの混相流）が噴出され、エッジ４ｋおよびテーパー部４ｈでマイクロバブルが生成され、間隙２２を通って外部（水などの液体）にマイクロバブルが放出される。
【００７９】
図３２Ｂに示す設置形態（タイプＢ）においては、旋回流型マイクロバブル発生装置１の渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの下流側の端面Ｐ１側に、この渦崩壊用ノズル４と同軸に、かつ渦崩壊部４ｂと対向して圧力遮断用ノズル２１が設置される。これらの渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１はパイプ２の内部に収容されている。この場合、渦崩壊用ノズル４の外形は円柱形状を有する。圧力遮断用ノズル２１の外形も円柱形状を有し、渦崩壊部４ｂの外周の直径と同じ直径を有する。渦崩壊部４ｂは円柱形状の、マイクロバブル６ｄの噴出口Ｑを有する。渦崩壊部４ｂの下流側の端面Ｐ１と圧力遮断用ノズル２１の上流側の端面Ｐ２との間には間隙２２が形成されている。この間隙２２の間隔は渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１の中心軸から放射方向に直線的に徐々に増加している。圧力遮断用ノズル２１の外周面にはこの圧力遮断用ノズル２１の中心軸に平行な複数の溝２１ａが、典型的には円周方向に等間隔に設けられており、圧力遮断用ノズル２１の外形の直径はパイプ２の内径と等しい。溝２１ａの深さをｄ、溝２１ａの長さをｈとしたとき、これらの溝２１ａのアスペクト比ｈ／ｄ＞１である。圧力遮断用ノズル２１のうちの噴出口Ｑと対向する部分は、この噴出口Ｑから出てくる旋回流の中心部の低圧部をこの圧力遮断用ノズル２１の下流側と遮断するように構成されている。言い換えると、この場合、圧力遮断用ノズル２１のうちの噴出口Ｑと対向する部分には貫通孔が設けられていない。また、この圧力遮断用ノズル２１のうちの噴出口Ｑと対向する部分は渦崩壊部４ｂ、より詳細には噴出口Ｑに貫入していない。この場合、渦崩壊部４ｂの噴出口Ｑから気液混相流（例えば、水と空気などの混相流）が噴出され、エッジ４ｋおよびテーパー部４ｈでマイクロバブルが生成され、間隙２２を通り、さらにパイプ２と圧力遮断用ノズル２１の外周面に形成された溝２１ａとの間の空間を通って外部（空中または管路）にマイクロバブルが放出される。
圧力遮断用ノズル２１の外周面に溝２１ａを形成する代わりに、この圧力遮断用ノズル２１の内部の外周面に近接する部分に、この圧力遮断用ノズル２１の中心軸に平行な複数の孔２１ｂを、典型的には円周方向に等間隔に設けてもよい。この場合、孔２１ｂの内径をｄ、孔２１ｂの長さをｈとしたとき、これらの孔２１ｂのアスペクト比ｈ／ｄ＞１である。
【００８０】
図３２Ｃに示す設置形態（タイプＣ）においては、旋回流型マイクロバブル発生装置１の渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの下流側の端面Ｐ１側に、この渦崩壊用ノズル４と同軸に、かつ渦崩壊部４ｂと対向して圧力遮断用ノズル２１が設置される。これらの渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１はパイプ２の内部に収容されている。この場合、渦崩壊用ノズル４の外形は円柱形状を有する。圧力遮断用ノズル２１は上流から下流に向かってすぼまった形状を有し、上流側の部分は渦崩壊部４ｂの外周の直径と同じ直径を有する。渦崩壊部４ｂは円柱形状のマイクロバブル６ｄの噴出口Ｑを有する。渦崩壊部４ｂの下流側の端面Ｐ１と圧力遮断用ノズル２１の上流側の端面Ｐ２との間には間隙２２が形成されている。この間隙２２の間隔は渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１の中心軸から放射方向に直線的に徐々に増加している。この圧力遮断用ノズル２１の内部には、パイプ２の内壁に隣接する部分の間隙２２とこの圧力遮断用ノズル２１の下流側の端面Ｐ３との間を連通し、かつこの端面Ｐ３で互いに合流する複数の孔２１ｂが設けられている。孔２１ｂの内径をｄ、孔２１ｂの長さをｈとしたとき、これらの孔２１ｂのアスペクト比ｈ／ｄ＞１である。この場合、渦崩壊部４ｂの噴出口Ｑから気液混相流（例えば、水と空気などの混相流）が噴出され、エッジ４ｋおよびテーパー部４ｈでマイクロバブルが生成され、間隙２２を通り、さらに圧力遮断用ノズル２１の孔２１ｂを通って外部（空中または水中（一般的には液体中））にマイクロバブルが放出される。
【００８１】
上述のタイプＡ〜Ｃによれば、次の（ａ）〜（ｃ）の効果を得ることができる。
（ａ）音波の発生に伴う騒音を低減することができる。
音波の発生は、旋回流型マイクロバブル発生装置を民生品もしくは水質改善に使用する際の騒音問題を引き起こし、また、旋回流型マイクロバブル発生装置から発せられる音波は旋回周波数と装置内部に形成される気柱の固有周波数との２種類の周波数の振動が存在する。タイプＡ〜Ｃによれば、圧力遮断用ノズル２１を渦崩壊用ノズル４の下流側に設置しているので、渦崩壊をスパイラル型からバブル型に遷移させることができる。バブル型の渦崩壊は気柱を伸縮させる外力が小さいため、気柱音が小さくなる。また、圧力遮断用ノズル２１は渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１側に固定しているため、旋回流６ｃの乱れが小さくなり、上述の旋回音および気柱音が軽減される。
【００８２】
（ｂ）水中放出時の放出流体の再吸い込みを防止することができる。
マイクロバブルによるフロックの泡沫浮上分離時に放出流体を再吸い込みすることでフロックが破壊され、液中に分散されることを阻止することができる。すなわち、タイプＡ〜Ｃによれば、圧力遮断用ノズル２１により放出されたマイクロバブル水は再吸い込みされない。
（ｃ）旋回流の中心における低圧部の生成による溶解気体の再気泡化を防止することができる。
旋回流型マイクロバブル発生装置では旋回流中心部の圧力が低下し、この気体圧力の低下は、生成気泡径の縮小と同時に、溶存気体が気体として析出することを意味する。タイプＡ〜Ｃによれば、圧力遮断用ノズル２１の設置により縮流部を設けることで、渦崩壊部４ｂの噴出口Ｑにおける圧力を高くすることができる。
【００８３】
タイプＢ、Ｃによれば、次の（ｄ）、（ｅ）の効果を得ることもできる。
（ｄ）空中に放出する場合の空気の吸い込みによる微細気泡の不生成を防止することができる。
これは、マイクロバブル入りの空中放射ウオータージェット用ノズルの実現に重要である。渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１が大気と接していると、中心部の負圧のために大気中の空気を吸い込み液膜シートが生成される。タイプＢ、Ｃによれば、渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１の流れの低圧部を圧力遮断用ノズル２１で遮蔽することができ、また、圧力遮断用ノズル２１の溝２１ａを渦崩壊用ノズル４の中心軸から半径方向に離れた位置に設けることにより、微細気泡の生成およびジェットの生成を行うことができる。
【００８４】
（ｅ）管路途中に設置した場合の液体全体の旋回による気泡発生効率の低下を防止することができる。
渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１側にこの渦崩壊用ノズル４の外径程度の広さの空間しか取れない場合には、微細気泡の発生効率が低下するため工夫を必要とする。すなわち、旋回流型マイクロバブル発生装置を通過した流れが管路内の全体的な旋回流を励起し、旋回流型マイクロバブル発生装置による旋回流のエネルギーがこの旋回流の生成に使用される。また、旋回流型マイクロバブル発生装置の下流における渦の生成は、気泡を管路内に滞留させるとともに、微細気泡の合体を引き起こす。タイプＢ、Ｃによれば、圧力遮断用ノズル２１により旋回流型マイクロバブル発生装置の下流における渦の発生および旋回流の生成を阻止することができる。
【００８５】
圧力遮断用ノズル２１の形状について、図３３ＡおよびＢに示すものを例にとって改めて詳細に説明する。
この圧力遮断用ノズル２１の形状は以下の条件１〜４を満たす。
＜条件１＞
圧力遮断用ノズル２１の渦崩壊用ノズル４側の端面Ｐ２は、渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの端面Ｐ１の形状に依存し、図３３Ａに示す、渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１の中心軸に平行な方向の間隙２２の間隔がこの中心軸から放射方向に（外向きに）直線的に徐々に増加している。
【００８６】
＜条件２＞
圧力遮断用ノズル２１のうちの渦崩壊用ノズル４の噴出口Ｑに対向する部分には貫通孔を設けない。
＜条件３＞
圧力遮断用ノズル２１の上流側の端面Ｐ２は渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂ、より詳細には噴出口Ｑに貫入しない。
＜条件４＞
圧力遮断用ノズル２１の溝２１ａのアスペクト比ｈ／ｄ＞１である。
【００８７】
本発明者は、圧力遮断用ノズル２１の上流側の端面Ｐ２の頂角θSU、ならびに、渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１の中心軸上における渦崩壊用ノズル４と圧力遮断用ノズル２１との間隔ｔ（図３３ＡおよびＢ参照）を適切に選ぶことにより、気柱内圧力を極小にすること、言い換えれば吸い込み圧力を極大にすることが可能であることを見出した。具体的には、圧力遮断用ノズル２１の端面Ｐ２の頂角θSU、および、間隔ｔの最適値はおよそ次式で与えられる。
θSU≦θVB、ｔ≒Ｄe ／４ (16)
ここで、θVBは渦崩壊用ノズル４の渦崩壊部４ｂの下流側の端面Ｐ１の頂角、Ｄe は噴出口Ｑの直径である。間隙２２の間隔は渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１の中心軸から放射方向に増加するが、こうすることで、渦崩壊部４ｂの噴出口Ｑにおける流れ中の低圧位置が上流に移動して流れの吸出し効果が得られることが知られている（ディフューザーの原理）。
【００８８】
本発明者の検討の結果、間隙２１の開角Δθ≡θVB−θSUが１０°〜２０°のとき、気柱内圧力が最低となった。Δθが２０°よりも大きいと、間隙２１内の漸拡した流れは、剥離などが発生することにより不安定となり、逆に気柱内圧力の低下量が減少する。
図３４は、渦崩壊用ノズル４と圧力遮断用ノズル２１との間隔ｔと気柱内圧力（吸い込み圧力）、発生音圧およびノズル抵抗との定性的な関係を模式的に示したものである。
図３４中のＳ１〜Ｓ４はそれぞれ図３５Ａ〜Ｄに対応する。図３５Ａに示すＳ１の状態では、渦崩壊用ノズル４と圧力遮断用ノズル２１との間隔ｔが極めて小さく、流体が間隙２２を通過する際の圧力欠損が旋回流による圧力増加よりも大きくなる。この間隔ｔは、後に詳細に説明するように、およそ
【数１４】
となる。この場合には、上記の（ａ）〜（ｅ）の効果を得ることができる。ただし、この場合には流れの抵抗が大きいため、高揚程ポンプを用いる必要がある。また、旋回流型マイクロバブル発生装置１からの給気は困難となる。このＳ１に示す状態では、渦崩壊部４ｂの噴出口Ｑにおいて気体の加圧が促進され、間隙２２を通過するに伴って溶解気体の再気泡化が促進される。
【００８９】
図３５Ｂに示すＳ２の状態では、流水抵抗および気柱内圧力が極小となり、発生音も小さい。旋回流型マイクロバブル発生装置１の出口で吸い込み流れが生じない条件として
ｔ＜Ｄe ／４ (18)
が挙げられる。一方で、間隔ｔは間隙２２の抵抗が旋回流型マイクロバブル発生装置１の抵抗に比べて無視することができるように、旋回流型マイクロバブル発生装置１の出口の最小断面積と同オーダー程度となっている。これは、πＤe 2 ／４≒ｔ・πＤe から分かる。この間隔ｔの最適値（気柱内圧力が最小となる位置）は
ｔ≒Ｄe ／４ (19)
である。この場合には、上記の（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）の効果を得ることができる。このＳ２の状態では気泡の圧壊が促進される。
【００９０】
図３５Ｃに示すＳ３の状態では、気柱が圧力遮断用ノズル２１に付着する。この場合、
Ｄe ／２＜ｔ＜Ｄe (20)
である。この場合、気柱内圧力は低下せず、微細気泡発生効率は低下する。この場合には、上記の（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）の効果を得ることができる。
【００９１】
図 に示すＳ４の領域では、気柱は渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１に付着し、発生音は大きい。
ｔ＞２Ｄe (21)
この場合には、上記の（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）の効果を得ることができる。旋回流型マイクロバブル発生装置の発生音が問題とならない場合には、この配置で気泡の発生効率は低下しない。
【００９２】
次に、圧力遮断用ノズル２１の効果の検証を行った結果について説明する。
実験Ｉでは、圧力遮断用ノズル２１の端面Ｐ２の頂角θSUおよび間隔ｔを変化させたときの気柱内圧力および発生音の音圧について、気柱内圧力がｔ≒Ｄe ／４で極小値をとること、および、発生音が低減されることを示す。また、実験ＩＩでは、間隔ｔを詳細に変え、確かに気柱内圧力が極小値を持つことを検証した。
【００９３】
＜実験Ｉ＞
図３６ＡおよびＢは使用した実験装置の概略図を示す。実験は、以下の２種類の旋回流型マイクロバブル発生装置を使用して行った。
（１）翼３ｂの枚数が３枚で溝３ｄの深さが小さい高旋回流用のタービン翼型ノズル３と端面Ｐ１の頂角θVBがθVB＝２４０°である渦崩壊用ノズル４とを有する旋回流型マイクロバブル発生装置を使用する。
（ｂ）翼３ｂの枚数が５枚で溝３ｄの深さが大きい中間旋回流用のタービン翼型ノズル３と端面Ｐ１の頂角θVBがθVB＝１８０°である渦崩壊用ノズル４とを有する旋回流型マイクロバブル発生装置を使用する。
【００９４】
（Ｉａ）気柱内圧力（吸い込み圧）
まず、無給気にして気柱内圧力を計測した。（１）においてＤe ＝５ｍｍ、水の流量Ｑw ＝５Ｌ／ｍｉｎ、サーキュレーション数Γe ＝１．９のときの結果を図３７に示す。図３７に示すように、吸い込み圧は間隔ｔが１ｍｍより小さいある値で極大となり、間隔ｔが増加すると減少する。（２）においてＤe ＝６．５ｍｍ、水の流量Ｑw ＝１０Ｌ／ｍｉｎ、サーキュレーション数Γe ＝２．３のときの結果を図３８に示す。図３８に示すように、吸い込み圧は間隔ｔが１ｍｍ程度の値で極大となり、間隔ｔが増加すると一
旦減少するがその後増加し、ある値に漸近する。（１）、（２）のいずれの場合においても
Δθ≡θVB−θSU＝１０°〜２０° (22)
のときに吸い込み圧が極大となる間隔ｔが存在することが分かる。
【００９５】
（１ｂ）音圧
圧力遮断用ノズル２１を渦崩壊用ノズル４の下流側に設けることにより音圧を減少させることができることを示す。
旋回流型マイクロバブル発生装置からは主に２種類の音波が発せられる。図３９に翼３ｂの枚数が５枚のタービン翼型ノズル３を用い、無給気としたときの旋回周波数および気柱の固有振動数と間隔ｔとの関係を示す。これらの旋回周波数および固有振動数は圧力遮断用ノズル２１の位置および頂角θSUに差ほど依存しない。一方で、それぞれの音波について、そのエネルギーが間隔ｔによってどのように変化するかを図 に示す。間隔ｔが２ｍｍ以下のときの音波のエネルギーは間隔ｔが大きいときの値に比べて１／１０程度となっていることが分かる。また、θSU＝１６０°（Δθ＝２０°）の場合に音波の減衰が最も大きくなっている。さらに、間隔ｔが２ｍｍのとき、気柱の振動から出る音波の遮蔽が顕著であることが分かる。この方法によって特に気柱音が低減されることが分かる。
【００９６】
次に、間隔ｔを１ｍｍに固定し、給気量Ｑa を変化させたときの音波のエネルギーを求めた結果について説明する。図４２および図４３に結果を示す。図４２および図４３より、吸い出し効果を持つ圧力遮断用ノズル２１の方が音圧が小さいこと、および、給気量Ｑa を増加させても音圧を減衰する効果が維持されることが分かる。
【００９７】
＜実験ＩＩ＞
θVB＝１６０°、Ｄe ＝８ｍｍの渦崩壊用ノズル４およびθSU＝１４０°、直径Ｄ＝４０ｍｍの圧力遮断用ノズル２１を用いて実験を行った。水の流量Ｑw は２０Ｌ／ｍｉｎ、給気量Ｑa は１００ｃｃ／ｍｉｎである。
図４４は気柱内圧力（吸い込み圧）、図４５は間隔ｔによるポンプ流量の変化を示す。図４４および図４５より、間隔ｔがおよそ２ｍｍのとき吸い込み圧は極大となり、同時にポンプ流量がｔ〜２Ｄe に比べて大きいことが分かる。ポンプ流量の増大は流体抵抗が減少したことを示す。
図４６に、ｔ＝２．２ｍｍ（ｔ≒Ｄe ／４）およびｔ＝１５ｍｍ（ｔ〜２Ｄe ）における発生音のスペクトルを示す。図４６より、間隔ｔ、すなわち渦崩壊用ノズル４に対する圧力遮断用ノズル２１の位置によって音波のスペクトルが大きく変化すること、ｔ≒Ｄe ／４のとき、吸い込み圧が極小値をとって音圧が低減することが分かる。この音圧の低減は、渦崩壊用ノズル４の下流側の気柱形状が変化したためである。
【００９８】
次に、空中放射、管路内、水中における旋回流型マイクロバブル発生装置における圧力遮断用ノズル２１の使用形態を説明する。
まず、水中で上述のタイプＡ（図３２Ａ）を用いる場合について説明する。
渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１に十分な広がりを持ち、旋回流が放射方向に広がる場合には、圧力遮断用ノズル２１に孔を設ける必要はない。このとき、流体は放射方向に流出する（図３２Ａ）。この場合、音波の音圧を小さくすることを目的として圧力遮断用ノズル２１を設置する。また、音波は渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１から放射されるため、圧力遮断用ノズル２１を音波を透過させない材料で製作するか、ある程度の厚みを持たせることが有効である。
【００９９】
次に、管路内で上述のタイプＢ（図３２Ｂ）を用いる場合について説明する。
旋回流が旋回流型マイクロバブル発生装置の下流で形成されることを防ぐと同時に音波を低減する。圧力遮断用ノズル２１の溝２１ａは旋回流が下流に形成されないようにａ＜ｈ（ａは溝２１ａの幅）とする（図４７ＡおよびＢ参照）。また、溝２１ａの半径方向の距離、言い換えると深さｄは渦崩壊用ノズル４の噴出口Ｑに達しない程度とする。特に、旋回流型マイクロバブル発生装置の抵抗に比べて溝２１ａの抵抗が十分小さくなるように溝２１ａの全体の流水断面積を大きくする。
【０１００】
次に、空中放射で上述のタイプＣ（図３２Ｃ）を用いる場合について説明する。
渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１の旋回流が広がるように、圧力遮断用ノズル２１の半径は大きいほうが良い。また、旋回流型マイクロバブル発生装置の抵抗に比べて溝２１ａの抵抗が十分小さくなるように溝２１ａの全体の流水断面積を大きくする。圧力遮断用ノズル２１の厚さは適宜決定するが、厚いほうが音波の外部への放射が少なくなる。圧力遮断用ノズル２１の中央付近に貫通孔を設けることはできないため（気柱内に大気が吸引される）、圧力遮断用ノズル２１の厚みを付けることで圧力遮断用ノズル２１の内部に孔２１ｂからなる流路を作り、ジェットの方向をコントロールしたり、これらの孔２１ｂからなる流路を圧力遮断用ノズル２１の下流側の端面Ｐ３で合流させることでウオータージェットを生成することができる。
【０１０１】
次に、マイクロバブルを高濃度に発生させることができる旋回流型マイクロバブル発生装置について説明する。
図４８は高揚程ポンプを利用した加圧溶解型の旋回流型マイクロバブル発生装置を示す。図４８に示すように、高揚程ポンプ１０１の吸い込み口には給気用の旋回流型マイクロバブル発生装置１０２を取り付ける。旋回流型マイクロバブル発生装置１０２の渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１に圧力遮断用ノズル２１を取り付けることで、高揚程ポンプ１０１を通過する液体が旋回せず、給気した気体は微細化する。さらに、高揚程ポンプ１０１を通過した気体は高揚程ポンプ１０１の揚程により加圧され溶解し、高揚程ポンプ１０１の出口に取り付けられた旋回流型マイクロバブル発生装置１０３により減圧され、再気泡化する。旋回流型マイクロバブル発生装置１０３の渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１に取り付けた圧力遮断用ノズル２１は発生音を低減する。間隔ｔが小さい式（１７）の場合は、加圧効果が増大する一方で流れの抵抗は増大する。Ｄe ／８＜ｔ＜Ｄe ／４では、加圧効果はないが流れの抵抗が減少するとともに再気泡化が促進される。圧力遮断用ノズル２１の位置は高揚程ポンプ１０１の性能にしたがって決定される。
【０１０２】
次に、図４９〜図５１に示す三つの場合について、物理現象に基づいた分類を行い、渦崩壊用ノズル４と圧力遮断用ノズル２１との間隔ｔの最適値を流体の支配方程式にしたがって求める。
図４９に示す場合（図３４に示すＳ３、Ｓ４の状態）には、旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズル４の出口前面の流れはほぼ圧力一定の条件を満たすため、流速はおよそ一定となる（ベルヌーイの定理）。渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１の流体層の厚さは連続の式（体積流量の保存則）から
【数１５】
である。ここで、Ｕは流速、ｒは渦崩壊用ノズル４および圧力遮断用ノズル２１の中心軸からの放射方向距離、ζ（ｒ）は流速の大きい流体層の厚さである。上式から
【数１６】
である。したがって、図３４に示すＳ３、Ｓ４の状態は
【数１７】
である。ζ（ｒ）の最大値はｒ＝Ｄe ／２より、渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１のすべての領域で式（２５）が満たされるためには
【数１８】
が必要である。式（２６）は前記の式（２０）、（２１）に対応する。
【０１０３】
次に、図５０に示す場合（図３４に示すＳ１、Ｓ２の状態）には、旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズル４の出口前面の流速が、渦崩壊用ノズル４と圧力遮断用ノズル２１との間隔ｔによって決定される（前記の流体層の厚さよりも間隔が小さい）。すなわち、
【数１９】
である。間隔ｔは、渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１のすべての領域で式（２７）が満たされる場合には
【数２０】
渦崩壊用ノズル４の下流側の出口のみで満たされるとすれば
【数２１】
である。一般的には式（２９）が満たされると、前記の流体層が破壊され流体は平均的に渦崩壊用ノズル４と圧力遮断用ノズル２１とで囲まれた領域を流れると考えられ、このときｒ方向の流速はｖr は
【数２２】
で与えられる。ここで、Ｑは流量、Ｓは流水断面積である。また、旋回流は旋回方向の運動方程式
【数２３】
から算定される。ここで、ｆは抵抗係数で滑面乱流の場合には近似的に
【数２４】
で与えられる。ただし、Ｒe は渦崩壊用ノズル４と圧力遮断用ノズル２１との間の流れのレイノルズ数、νは動粘性係数である。一方、粗面乱流の場合には抵抗係数は
【数２５】
で与えられる。ここで、ｋS は相当粗度である。
【０１０４】
簡単のため、旋回方向の抵抗を無視すると、角運動量の保存則（運動量損失を無視）より、
【数２６】
となる。ただし、Ωe は渦崩壊用ノズル４の出口における角速度である。また、圧力遮断用ノズル２１の頂角θSUが１８０°に近いときのｒ方向の運動方程式から圧力勾配ｄＰ／ｄｒは
【数２７】
で与えられる。式（３５）の右辺第一項は流体の減速による圧力勾配、第二項は遠心力、第三項は運動量損失勾配である。式（３０）を式（３５）に代入すると、ｒ方向の圧力は流体の慣性により増加し摩擦により減少することが分かる。すなわち、Ｓ２で示される状態においては、渦崩壊用ノズル４の出口の圧力が極小値をとるためには、渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１のすべての領域でｄＰ／ｄｒ＞０となる必要がある。また、Ｓ１で示される状態においては、渦崩壊用ノズル４の出口の圧力が極大値をとるためには、渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１でｄＰ／ｄｒ＜０となる必要がある。
【０１０５】
以下、簡単のため
【数２８】
として式（３４）を用い、さらにｈ（ｒ）＝const.＝ｈ0 の場合について議論する。
式（３５）から圧力勾配が０となるｒ＝ｒcrを求めると
【数２９】
となる。また、
【数３０】
である。このとき圧力勾配は
【数３１】
である。
【０１０６】
Ｓ１の状態では、渦崩壊用ノズル４の出口の圧力が圧力遮断用ノズル２１によって増加し、Ｓ２の状態では減少する必要があり、次式を満たすように決めることが目安となる。
【数３２】
流体が水の場合には条件式（４０）の境界値ｈ0 はＤe ／２に比べて極めて小さいため、Ｓ２の条件は式（２８）、（２９）から
【数３３】
となる（本実験範囲（Ｄ〜５Ｄe ）では式（１８）がおよその目安となったが、Ｄの値如何によって式（４１）に基づきｈ0 を決定すれば良い）。また、Ｓ１に関してはｈ0 が小さいほど渦崩壊用ノズル４の出口の圧力は大きくなる。一方でｈ0 が小さいとポンプに負荷が掛かるため、式（３８）を満たしポンプの効率が小さくならない範囲でｈ0 を決定すべきである。式（３９）中のｒcrをＤe ｒn ／２とおくと、ｈ0 は近似的に
【数３４】
で与えられる。式（４２）でｒn ＝１と置いたｈ0 の場合には渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１のすべての領域で圧力勾配は負となり、渦崩壊用ノズル４の中心の圧力は必ず増加する。この場合、前記の実験ＩＩの値を代入するとｈ0 ＝０．１２ｍｍとなる。このような小さなｈ0 に対しては式（３１）から抵抗が支配的となり式（３４）は適用できず、近似式
【数３５】
の方が妥当である。この場合には式（４２）の右辺第２項を０と置くことができる。最終的にＳ１の状態を実現するためには上記の式（１７）が必要である。ここで、ｒn ＝１＋（Ｄ／Ｄe −１）／２は渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１と圧力遮断用ノズル２１の上流側の端面Ｐ２とで囲まれた狭窄部の放射方向半分の距離まで圧力が減少し後半で増加するとした場合である。特に、Ｓ１に示す状態の場合にも、渦崩壊用ノズル４の出口（ｒ＜Ｄe ／２）の旋回流は微細気泡の生成に重要であることを実験的に確かめた。
【０１０７】
任意の間隔ｈ（ｒ）については式（３１）および式（３５）をｒ＝Ｄe ／２からｒの正方向に積分することでノズル前面の圧力を推定することができる。ｈ（ｒ）がｒ方向に変化する場合には、圧力勾配ｄＰ／ｄｒに、式（３５）の右辺第一項から
【数３６】
が付加される。したがって、Ｓ２の状態においては前記の流体層が渦崩壊用ノズル４の下流側の端面Ｐ１から剥離しない範囲（式（２９））でｄｈ／ｄｒ（正）を大きくすることで渦崩壊用ノズル４の出口の圧力をより小さくすることができる。Ｓ１においてはｄｈ／ｄｒ≦０が望まれる。
【０１０８】
以上、渦崩壊用ノズル４の表面が滑面の場合について議論したが、
Ｓ１：渦崩壊用ノズル４の出口の圧力が高い方が良いため、抵抗が大きくなるように渦崩壊用ノズル４の表面は粗面の方が良い。
Ｓ２：渦崩壊用ノズル４の出口の圧力が低い方が良いため、抵抗が小さくなるように渦崩壊用ノズル４の表面は滑面の方が良い。
ここで粗面とは、表面の凹凸の高さｋs が
【数３７】
より大きい場合である（前記の実験ＩＩの値を代入するとｋS 〜０．００２ｍｍ程度である）。一般に、式（４５）はｈに比べて十分小さいため、Ｓ１でｈが極端に小さくなる場合には粗度を付けて圧力を高くすることが有効である。粗面の場合の抵抗係数式（３３）を用いて、式（４３）の近似の下で式（１７）と同様な関係式を導くと
【数３８】
が得られる。間隙２２のすべての領域で圧力がｒ方向に増加するとすると（ｒn ＝１）、粗度に対する間隔ｈ（ｒ）は図５２で与えられる。特に研磨しない材料で渦崩壊用ノズル４を作った場合にはその表面は粗面であり、図５２から間隙２２の間隔ｈ（ｒ）はおよそ噴出口Ｑの半径の１／３０から１／２０であることが分かる。
以上の主な結論をまとめると、
圧力遮断用ノズル２１は、渦崩壊用ノズル４と圧力遮断用ノズル２１との間隔ｔを変化させることで、下記の二つの異なるタイプの気泡生成を行うことができる。
減圧後の加圧によるマイクロバブル生成
【数３９】
加圧後の減圧によるマイクロバブル生成
【数４０】
ただし、上記の条件は間隙２２のすべての領域で圧力がｒ方向に増加する場合である。
【０１０９】
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、形状、構造、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、形状、構造、配置などを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の本体を示す斜視図である。
【図２】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体を示す斜視図である。
【図３】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体を示す正面図である。
【図４】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体を示す縦断面図である。
【図５】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの翼体の一つの翼の形状を示す略線図である。
【図６】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルを示す縦断面図である。
【図７】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の給気装置を示す縦断面図である。
【図８】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルの縮流部におけるサーキュレーション数を説明するための略線図である。
【図９】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルの臨界ノズル半径を説明するための略線図である。
【図１０】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルで生じる渦崩壊を示す略線図である。
【図１１】Hinzeスケールを説明するための略線図である。
【図１２】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置においてサーキュレーション数が２のときにマイクロバブルを Hinzeスケールまで微粒化するときの給気量を示す略線図である。
【図１３】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置においてサーキュレーション数が３のときにマイクロバブルを Hinzeスケールまで微粒化するときの給気量を示す略線図である。
【図１４】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置においてサーキュレーション数が４のときにマイクロバブルを Hinzeスケールまで微粒化するときの給気量を示す略線図である。
【図１５】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置においてサーキュレーション数が２のときにマイクロバブルを Hinzeスケールまで微粒化するときの給気量と液体流量との比を示す略線図である。
【図１６】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置においてサーキュレーション数が３のときにマイクロバブルを Hinzeスケールまで微粒化するときの給気量と液体流量との比を示す略線図である。
【図１７】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置においてサーキュレーション数が４のときにマイクロバブルを Hinzeスケールまで微粒化するときの給気量と液体流量との比を示す略線図である。
【図１８】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの実施例を説明するための表である。
【図１９】第１の例による旋回流型マイクロバブル発生装置のタービン翼型ノズルの形状、渦崩壊用ノズルの形状およびタービン翼型ノズルから渦崩壊用ノズルまでの間隔の実施例を説明するための略線図である。
【図２０】第２の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルを示す縦断面図である。
【図２１】第２の例による旋回流型マイクロバブル発生装置におけるマイクロバブルの発生状況を他の例と比較した略線図である。
【図２２】第２の例による旋回流型マイクロバブル発生装置における二種類の渦崩壊の様子を示す略線図である。
【図２３】第３の例による旋回流型マイクロバブル発生装置を示す縦断面図である。
【図２４】第４の例による旋回流型マイクロバブル発生装置を示す縦断面図である。
【図２５】第５の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の本体を示す縦断面図である。
【図２６】第６の例による旋回流型マイクロバブル発生装置におけるマイクロバブルの発生状況を確認するために計測した音波のスペクトルを示す略線図である。
【図２７】第６の例による旋回流型マイクロバブル発生装置におけるマイクロバブルの発生状況を確認するために計測した画像のスペクトルを示す略線図である。
【図２８】第７の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルを示す縦断面図およびこの渦崩壊用ノズルの出口のエッジの拡大図である。
【図２９】第７の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルで生じる超臨界渦崩壊を示す略線図である。
【図３０】第７の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルで生じる亜臨界渦崩壊を示す略線図である。
【図３１】第７の例による旋回流型マイクロバブル発生装置の渦崩壊用ノズルの形状の例を示す縦断面図である。
【図３２】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図３３】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図３４】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図３５】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図３６】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図３７】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図３８】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図３９】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図４０】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図４１】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図４２】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図４３】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図４４】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【図４５】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図４６】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置を用いた高濃度マイクロバブル発生装置を示す断面図である。
【図４７】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図４８】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図４９】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図５０】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図５１】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の要部を示す断面図である。
【図５２】この発明の一実施形態による旋回流型マイクロバブル発生装置の特性を説明するための略線図である。
【符号の説明】
【０１１１】
２…パイプ、２ａ…渦流部、３…タービン翼型ノズル、３ａ…本体、３ｂ…翼、３ｅ…給気孔、３ｆ…噴射孔、４…渦崩壊用ノズル、４ａ…縮流部、４ｂ…渦崩壊部、４ｈ…テーパー部、４ｋ…エッジ、６…液体、６ａ…液体流、６ｂ…気柱、６ｃ…旋回流、６ｄ…マイクロバブル、２１…圧力遮断用ノズル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロバブルの噴出口を有する第１のノズルの下流側の端面側にこの第１のノズルと対向し、かつ同軸に設けられた圧力遮断用の第２のノズルを有し、
上記第１のノズルの下流側の端面と上記第２のノズルの上流側の端面との間には間隙が形成され、
上記間隙の間隔は上記第１のノズルおよび上記第２のノズルの中心軸から放射方向に増大し、
上記第２のノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口から出てくる旋回流の中心部の低圧部を上記第２のノズルの下流側と遮断するように構成され、
上記第２のノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口に貫入していないことを特徴とする旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項２】
上記噴出口から噴出されたマイクロバブルは上記間隙を通って外部に向かうように構成されていることを特徴とする請求項１記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項３】
上記第１のノズルの下流側の端面の頂角をθVB、上記第２のノズルの上流側の端面の頂角をθSUとしたとき、θSU≦θVBであることを特徴とする請求項１または２記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項４】
Δθ≡θVB−θSU＝０°〜２０°であることを特徴とする請求項３記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項５】
上記第１のノズルの下流側の端面における上記噴出口の直径をＤe 、上記第１のノズルおよび上記第２のノズルの中心軸上における上記第１のノズルと上記第２のノズルとの間隔をｔとしたとき、ｔがほぼＤe ／４であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項６】
上記第１のノズルおよび上記第２のノズルは管の内部に収容されており、上記噴出口から噴出されたマイクロバブルは上記間隙を通り、さらに上記管と上記第２のノズルの外周面に上記第２のノズルの中心軸に平行に設けられた複数の溝との間の空間を通って外部に放出されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項７】
上記第１のノズルおよび上記第２のノズルは管の内部に収容されており、上記噴出口から噴出されたマイクロバブルは上記間隙を通り、さらに上記第２のノズルの内部の上記第２のノズルの外周面に近接する部分に上記第２のノズルの中心軸に平行に設けられた複数の孔を通って外部に放出されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項８】
上記第１のノズルおよび上記第２のノズルは管の内部に収容されており、上記第２のノズルは下流側にすぼまった形状を有し、かつ上記第２のノズルの内部には上記管の内壁に隣接する部分の上記間隙と上記第２のノズルの下流側の端面との間を連通し、かつ上記第２のノズルの下流側の端面で互いに合流する複数の孔が設けられており、上記噴出口から噴出されたマイクロバブルは上記間隙を通り、さらに上記第２のノズルの上記複数の孔を通って外部に放出されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項９】
上記第１のノズルは上流側から下流側に向かって順次縮流部および渦崩壊部を有する渦崩壊用ノズルであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項１０】
上記第１のノズルの上流側に旋回流発生用の翼型の第３のノズルを有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項１１】
上記第３のノズルの上流側の入口に液体を供給することにより旋回流を発生させるとともに、この旋回流の中心に気体を導入し、この中心に気体が導入された旋回流を上記第１のノズルの上記縮流部に供給することにより上記渦崩壊部からマイクロバブルを発生させることを特徴とする請求項１０記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項１２】
旋回流型マイクロバブル発生装置のマイクロバブルの噴出口を有するノズルの下流側の端面側にこのノズルと対向し、かつ同軸に設けられる圧力遮断用ノズルであって、
上記噴出口を有する上記ノズルの下流側の端面と上記圧力遮断用ノズルの上流側の端面との間には間隙が形成され、
上記間隙の間隔は上記噴出口を有する上記ノズルおよび上記圧力遮断用ノズルの中心軸から放射方向に増大し、
上記圧力遮断用ノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口から出てくる旋回流の中心部の低圧部を上記第２のノズルの下流側と遮断するように構成され、
上記圧力遮断用ノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口に貫入しないように構成されていることを特徴とする圧力遮断用ノズル。
【請求項１】
マイクロバブルの噴出口を有する第１のノズルの下流側の端面側にこの第１のノズルと対向し、かつ同軸に設けられた圧力遮断用の第２のノズルを有し、
上記第１のノズルの下流側の端面と上記第２のノズルの上流側の端面との間には間隙が形成され、
上記間隙の間隔は上記第１のノズルおよび上記第２のノズルの中心軸から放射方向に増大し、
上記第２のノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口から出てくる旋回流の中心部の低圧部を上記第２のノズルの下流側と遮断するように構成され、
上記第２のノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口に貫入していないことを特徴とする旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項２】
上記噴出口から噴出されたマイクロバブルは上記間隙を通って外部に向かうように構成されていることを特徴とする請求項１記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項３】
上記第１のノズルの下流側の端面の頂角をθVB、上記第２のノズルの上流側の端面の頂角をθSUとしたとき、θSU≦θVBであることを特徴とする請求項１または２記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項４】
Δθ≡θVB−θSU＝０°〜２０°であることを特徴とする請求項３記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項５】
上記第１のノズルの下流側の端面における上記噴出口の直径をＤe 、上記第１のノズルおよび上記第２のノズルの中心軸上における上記第１のノズルと上記第２のノズルとの間隔をｔとしたとき、ｔがほぼＤe ／４であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項６】
上記第１のノズルおよび上記第２のノズルは管の内部に収容されており、上記噴出口から噴出されたマイクロバブルは上記間隙を通り、さらに上記管と上記第２のノズルの外周面に上記第２のノズルの中心軸に平行に設けられた複数の溝との間の空間を通って外部に放出されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項７】
上記第１のノズルおよび上記第２のノズルは管の内部に収容されており、上記噴出口から噴出されたマイクロバブルは上記間隙を通り、さらに上記第２のノズルの内部の上記第２のノズルの外周面に近接する部分に上記第２のノズルの中心軸に平行に設けられた複数の孔を通って外部に放出されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項８】
上記第１のノズルおよび上記第２のノズルは管の内部に収容されており、上記第２のノズルは下流側にすぼまった形状を有し、かつ上記第２のノズルの内部には上記管の内壁に隣接する部分の上記間隙と上記第２のノズルの下流側の端面との間を連通し、かつ上記第２のノズルの下流側の端面で互いに合流する複数の孔が設けられており、上記噴出口から噴出されたマイクロバブルは上記間隙を通り、さらに上記第２のノズルの上記複数の孔を通って外部に放出されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項９】
上記第１のノズルは上流側から下流側に向かって順次縮流部および渦崩壊部を有する渦崩壊用ノズルであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項１０】
上記第１のノズルの上流側に旋回流発生用の翼型の第３のノズルを有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項１１】
上記第３のノズルの上流側の入口に液体を供給することにより旋回流を発生させるとともに、この旋回流の中心に気体を導入し、この中心に気体が導入された旋回流を上記第１のノズルの上記縮流部に供給することにより上記渦崩壊部からマイクロバブルを発生させることを特徴とする請求項１０記載の旋回流型マイクロバブル発生装置。
【請求項１２】
旋回流型マイクロバブル発生装置のマイクロバブルの噴出口を有するノズルの下流側の端面側にこのノズルと対向し、かつ同軸に設けられる圧力遮断用ノズルであって、
上記噴出口を有する上記ノズルの下流側の端面と上記圧力遮断用ノズルの上流側の端面との間には間隙が形成され、
上記間隙の間隔は上記噴出口を有する上記ノズルおよび上記圧力遮断用ノズルの中心軸から放射方向に増大し、
上記圧力遮断用ノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口から出てくる旋回流の中心部の低圧部を上記第２のノズルの下流側と遮断するように構成され、
上記圧力遮断用ノズルのうちの上記噴出口と対向する部分は上記噴出口に貫入しないように構成されていることを特徴とする圧力遮断用ノズル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
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【図７】
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【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【公開番号】特開２００９−２４７９５０（Ｐ２００９−２４７９５０Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９６８３６（Ｐ２００８−９６８３６）
【出願日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
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